新能源汽車電池能量密度如何提升呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 09:39
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新能源汽車的購買心理障礙很多，但其中最為焦慮的恐怕就是續(xù)航能力了。就筆者的試駕而言，廠家說標稱的續(xù)航里程一般都要再打個對折。這更加劇了焦慮感。
主要是由于電池的原因。
純電動新能源汽車想要增加續(xù)航里程，其實方法很簡單，就是堆足夠多的電池。
其實道理又不難，多堆電池而已，堆的多就跑的遠，小學生都能做的加法啊。但為什么基本沒有廠家這么做呢？
看似簡單，實際不簡單。我們以特斯拉為例，75kWh的電池標稱續(xù)航為469KM，那么很簡單了，裝1505kWh的電池應該可以跑938KM，裝上2255kWh的電池就可以跑1407KM。這是很簡單的數(shù)學題，兩倍電池就兩杯續(xù)航，三倍電池就三倍續(xù)航。很天經地義。
但基本沒戲，這是因為增加的電池電量基本都用來承受電池本身的重量了。好比行軍打仗，背上三天的干糧就能走三天，那么背上一百天的干糧能否走三月呢？似乎可行，但其實連三分鐘都走不了，糧食直接把人壓死了。
所以真正的解決之道，只能是提高電池密度。將普通餅干做成壓縮餅干。
順便說一下，受限于目前的電池技術，動力電池的能量密度再130-160WH/kg之間，而汽油則為12222WH/kg，所以新能源汽車的的動力電池往往高達數(shù)百公斤但僅能提供二百多公里的續(xù)航里程。
也就是說能量密度限制了目前新能源汽車的發(fā)展，在能量密度無法提高的情況下，電池堆積到一定程度，重量將反噬自身。當然這或許未必是壞事，畢竟好多人就喜歡手感重的。
目前主流的是18650電芯，目前國家提出了《中國制造2025》規(guī)劃，明確了動力電池的發(fā)展：2020年電池能量密度要達到300Wh/kg；2025年要達到400Wh/kg；2030年要達到500Wh/kg。
此外還需要參考系統(tǒng)能量密度，因為電池是個系統(tǒng)，還要包含電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高低壓回路等，這些不見也要占用電池系統(tǒng)的重量和內部空間的。因此最終作為成品的電池系統(tǒng)的能量密度遠比單顆電芯要低。
如何提升能力量密度？
可以從單體和系統(tǒng)兩個維度進行密度提升。涵蓋新材料采用、電池結構精調和制造能力提升三方面。
1、增大電池尺寸
電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過于率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。
但是電芯“變胖”或者“長個”只是治標，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構成電池單元的正負極材料以及電解液成分中，找到提高能量密度的關鍵技術。
2、化學體系變革
電池的能量密度受制于電池的正負極。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。
3、系統(tǒng)能量密度
提升電池包的成組效率，需要以安全性為前提，最大程度地利用每一寸空間。電池包的“瘦身”主要有以下幾種方式。
①優(yōu)化排布結構。從外形尺寸方面優(yōu)化系統(tǒng)內部的布置，讓電池包內部零部件排布更加緊湊高效。
②拓撲優(yōu)化?？梢酝ㄟ^仿真計算在確保剛強度及結構可靠性的前提下實現(xiàn)減重設計，實現(xiàn)拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實現(xiàn)電池箱體輕量化。
③選材。可以選擇低密度材料，如電池包上蓋已經從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉變?yōu)閺秃喜牧仙仙w，可以減重約35%。針對電池包下箱體，已經從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉變?yōu)殇X型材的方案，減重量約40%，輕量化效果明顯。
④整車一體化設計。整車一體化設計與整車結構設計通盤考慮，盡可能共享、共用結構件，例如防碰撞設計，實現(xiàn)極致的輕量化。
影響動力電池性能的不僅僅是能量密度一個指標，還有比功率密度、安全性、一致性和循環(huán)壽命等多種因素，在眾多指標和成本之間找到平衡點才是王道，單一提升莫個單項并不是發(fā)展之道。
對磷酸鐵鋰材料廠而言，最大困境在于客車市場銷售增速放緩，而儲能領域難以短期上量。同時，受制于磷酸鐵鋰電池本身能量密度的短板，無法抓住乘用車這一高速增長的市場。
真鋰研究的數(shù)據(jù)顯示，2018年前三季度，在29.5GWh的動力電池總裝機量中，EV乘用車市場前3季度累計裝機16.1GWh，占比達54.4％，排名第一。單看今年9月的數(shù)據(jù)，電動乘用車實現(xiàn)裝機3.31GWh，比去年的總和還多，同比增長高達165.6％。
“以前是得電動客車者得天下，現(xiàn)在是得電動乘用車者得天下。”墨柯說。
今年前三季度，在電動乘用車16.06GWh的總裝機量中，13.98GWh采用三元電池，占比約為87％；而磷酸鐵鋰電池占比僅12％。“還有少數(shù)乘用車在用磷酸鐵鋰電池。比如，不追求高續(xù)航、用于城市通勤的乘用車，或者低速車。”天風證券分析師楊藻指出。
磷酸鐵鋰電池和三元電池能量密度差距有多大？“目前磷酸鐵鋰單體電芯能量密度約在140-150Wh/kg，電池系統(tǒng)能量密度約為110－120Wh/kg。而常見的三元電池單體電芯為200Wh/kg，系統(tǒng)能量密度約在140Wh/kg。”羅煥塔告訴中國證券報記者。
為何高能量密度成為電池廠、車企競逐的目標？一方面受補貼政策引導。根據(jù)2018年6月實施的補貼新政，電池系統(tǒng)能量密度補貼門檻由2017年的90Wh/kg提升105Wh/kg，105（含）-120Wh/kg的車型按0.6倍補貼，120（含）-140Wh/kg的車型按1倍補貼，140（含）-160Wh/kg的車型按1.1倍補貼，160Wh/kg及以上的車型按1.2倍補貼。換言之，搭載磷酸鐵鋰電池的乘用車只能拿到0.6倍或1倍的補貼，而三元電池一般而言至少能拿到1倍以上補貼。
另一方面，對于乘用車而言，系統(tǒng)能量密度高低至關重要。電池的能量密度指的是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能，會影響到車輛的續(xù)航里程。“舉個例子，200公斤電池包，如果能量密度是140Wh/kg，200KG可以裝28度電。如果能量密度是120Wh/kg，200KG可以裝24度電。這對乘用車而言很要命，因為乘用車內部空間有限，整體結構設計中只有200公斤左右的重量留給電池包，裝28度電當然比24度電跑得更遠。”墨柯告訴記者。
頭部磷酸鐵鋰電池廠正在努力補足這一短板。比亞迪相關人士向中國證券報記者透露，目前公司磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)層面能量密度最高可以做到140wh/kg。
國軒高科今年9月接受機構調研時表示，已完成了磷酸鐵鋰單體能量密度由170Wh/kg向180Wh/kg產線升級改造。接近三元523的性能指標，且能滿足新能源汽車300公里以上的續(xù)航里程。同時計劃2019年將磷酸鐵鋰單體電芯能量密度最高提升至接近200Wh/kg。
頭部企業(yè)尤其是早期技術路線偏向磷酸鐵鋰的企業(yè)多在進行兩手準備，提升磷酸鐵鋰技術路線的同時，蓄力發(fā)展三元電池。
上述比亞迪相關人士指出，目前比亞迪商用車和E6仍然在使用磷酸鐵鋰電池，乘用車今年已經全部換裝三元電池。2018年，比亞迪在青海新增了24GWh的三元電池產能，加上截至2017年底16Gwh的總產能（其中6Gwh是三元電池，10Gwh是磷酸鐵鋰電池），預計2019年年底動力電池總產能達40Gwh。
國軒高科表示，正全力推進三元電池開發(fā)及投產，已完成原有兩條111產線升級為三元622產線的改造，并已穩(wěn)定、批量向客戶供貨。同時新建的4GWH升級版三元產線，已經完成一條產線的打通，預計四季度供貨。
“以前走磷酸鐵鋰路線的中小電池廠要轉換三元路線就沒那么容易。一來原來上游供應商的關系都在磷酸電池體系上，要重新建立三元體系比較困難；二來還要與現(xiàn)有電池廠在客戶資源上展開競爭。”墨柯指出。
