新能源車這么火，關(guān)于其電池你應(yīng)該知道這些
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-29 13:13
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隨著我國新能源汽車銷量的不斷攀升，以及電池技術(shù)的不斷更新。作為新能源汽車的心臟——動(dòng)力電池，也由于原材料的差異，被劃分成不同種類。例如，鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，以及鋰電池等，它們又憑借各自的優(yōu)點(diǎn)，均在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的某個(gè)階段被廣泛應(yīng)用，目前，市場(chǎng)主流的動(dòng)力電池為鋰電池。那么，鋰電池又有何優(yōu)勢(shì)和不足呢？未來電池技術(shù)將會(huì)如何發(fā)展呢？
磷酸鐵鋰電池屬于鋰電池的一種，目前如比亞迪e6、北汽ev160、騰勢(shì)等一些電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商均將其作為車輛的動(dòng)力源。磷酸鐵鋰電池?zé)岱€(wěn)定性是目前車用鋰電池中最好的，當(dāng)電池溫度處于500-600℃高溫時(shí)，其內(nèi)部化學(xué)成分才開始分解，而同屬鋰電池的鈷酸鋰電池在180—250℃時(shí)內(nèi)部化學(xué)成分就已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。換言之，磷酸鐵鋰電池的安全性在鋰電池中首屈一指，也正因如此，其也成為目前電動(dòng)車電池的主要門類之一。
特斯拉MODEL S使用的三元鋰電池的重量能量密度約為200Wh/kg，而磷酸鐵鋰電池的能量密度約為150Wh/kg，這意味著同樣重量的三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池的續(xù)航里程更長(zhǎng)。但是，當(dāng)三元鋰電池自身溫度為250-350℃時(shí)，其內(nèi)部化學(xué)成分就開始分解，因此對(duì)電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求。以特斯拉MODEL S車型為例，整車裝有7000余節(jié)18650三元鋰電池，電池管理系統(tǒng)要監(jiān)測(cè)其中每節(jié)電池的使用狀態(tài)，無疑加大了電池管理系統(tǒng)的控制難度。
燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，不是通常所說的“電池”。其能量的來源主要是依靠不斷供給燃料及氧化劑產(chǎn)生，而且能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行平穩(wěn)，被業(yè)界公認(rèn)為未來汽車的最佳能源。
就當(dāng)今市場(chǎng)而言，燃料電池汽車離我們并不遙遠(yuǎn)。去年年底，豐田汽車公司正式在日本國內(nèi)發(fā)售氫燃料電池車“MIRAI”(未來），其續(xù)航里程能達(dá)到約700km，在行駛過程中只排放水。MIRAI的工作原理為：儲(chǔ)氫罐中的氫氣與車頭吸入的氧氣在燃料電池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)從而帶動(dòng)車輛，而反應(yīng)產(chǎn)生的剩余電能會(huì)存入到儲(chǔ)能電池中。位于車身后部的兩個(gè)儲(chǔ)氣罐最大可存儲(chǔ)5公斤氫燃料，通常情況下，3分鐘就可以完成氫燃料補(bǔ)給。
物理電池是依靠物理變化來提供、儲(chǔ)存電能的電池統(tǒng)稱，如“瞬間充滿電的超級(jí)電容”、“比功率達(dá)5000-10000W/kg的飛輪電池”等都屬于物理電池家族的成員。
超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電容與電池之間的電源元件，功率密度高達(dá)300-500W/kg，是普通電池的5-10倍。它主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能，其間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此被歸為物理電池的范疇。相比化學(xué)電池，超級(jí)電容有三大明顯優(yōu)勢(shì)：
①反復(fù)充、放電次數(shù)達(dá)十萬次（傳統(tǒng)化學(xué)電池只有幾百至幾千次），壽命上要比化學(xué)電池高出很多；
②超級(jí)電容在充、放電時(shí)的功率密度極高，瞬間可放出大量電能，可滿足車輛更加寬泛的電力需求；
?、酃ぷ鳝h(huán)境適應(yīng)能力更佳，通常室外溫度在-40℃～65℃時(shí)，其都能穩(wěn)定正常工作（傳統(tǒng)電池一般為-20℃～60℃）。
2飛輪電池
飛輪電池是上世紀(jì)90年代提出的一種新概念電池，它是利用類似飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量的原理實(shí)現(xiàn)充、放電。大名鼎鼎的“ 保時(shí)捷911 GT3混合動(dòng)力賽車”以及被評(píng)為當(dāng)今四大神車之一的“ 保時(shí)捷918 Spyder”均在兩前輪處安裝有飛輪電池，飛輪技術(shù)將制動(dòng)所收集的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并將能量貯存于一個(gè)飛輪之中。在加速過程中，該能量將轉(zhuǎn)移至前輪，在提高加速的同時(shí)減少內(nèi)燃機(jī)的燃油消耗。
由于技術(shù)和材料價(jià)格的限制，飛輪電池的價(jià)格相對(duì)較高，在小型場(chǎng)合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。但在太空、大規(guī)模交通運(yùn)輸以及軍事方面需要大型儲(chǔ)能裝置的場(chǎng)合，飛輪電池已得到逐步應(yīng)用。
動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)
隨著新能源汽車的發(fā)展，電池作為重要部件之一，能量密度在不斷提高。中信國安盟固利新能源科技有限公司研究院副院長(zhǎng)劉正耀表示：“電池革命的關(guān)鍵在于材料，三元材料將成為主流的正極材料體系，石墨與軟碳、硬碳等具備不同特性的負(fù)極材料混合應(yīng)用也將成為負(fù)極材料的主流體系。另外，石墨烯在我國已經(jīng)開始進(jìn)入中期試驗(yàn)階段，量產(chǎn)后會(huì)大幅度提高電池的能量密度水平及壽命。”
同樣，電池專家肖成偉也表示：“動(dòng)力電池向著高能量密度的趨勢(shì)發(fā)展。從安全性角度考慮，磷酸鐵鋰電池要優(yōu)于其他種類電池，而且它在中國應(yīng)用的數(shù)量也是最大的；從正極材料來講，磷酸鐵鋰材料不僅是研究關(guān)注的重點(diǎn)，也是產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)。另外，大家都希望把能量密度達(dá)到300Wh/kg電池實(shí)現(xiàn)批量化應(yīng)用，那么就可以將高鎳材料與石墨類材料匹配，同時(shí)與薄型改性的隔膜涂層結(jié)合，逐步做到300Wh/kg；從負(fù)極材料來講，石墨類的材料現(xiàn)在已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品，未來則以硅碳作為研發(fā)重點(diǎn)。
磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動(dòng)力方面的應(yīng)用，則在名稱中加入“動(dòng)力”兩字，即磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。也有人把它稱為“鋰鐵(LiFe)動(dòng)力電池”。
意義
截止本人增補(bǔ)此詞條(2013年4月24日)，金屬交易市場(chǎng)，鈷(Co)最貴，并且存儲(chǔ)量不多，鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜，而鐵(Fe)最便宜。正極材料的價(jià)格也與這些金屬的價(jià)格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境無污染。
作為充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全(不會(huì)因過充電、過放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對(duì)環(huán)境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯(cuò)，特別在大放電率放電(5～10C放電)、放電電壓平穩(wěn)上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環(huán)次數(shù))、對(duì)環(huán)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動(dòng)力電池。
結(jié)構(gòu)與工作原理
LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳(石墨)組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。
LiFePO4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來回遷移而命名的。
主要性能
LiFePO4電池的標(biāo)稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個(gè)生產(chǎn)廠家采用的正、負(fù)極材料、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同，其性能上會(huì)有些差異。例如同一種型號(hào)(同一種封裝的標(biāo)準(zhǔn)電池)，其電池的容量有較大差別(10%～20%)。
磷酸鐵鋰動(dòng)力電池主要性能列于表1。為了與其他可充電電池的相比較，也在表中列出其他種類可充電電池性能。這里要說明的是，不同工廠生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在各項(xiàng)性能參數(shù)上會(huì)有一些差別;另外，有一些電池性能未列入，如電池內(nèi)阻、自放電率、充放電溫度等。
磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點(diǎn)幾到幾毫安時(shí)、中型的幾十毫安時(shí)、大型的幾百毫安時(shí)。不同類型電池的同類參數(shù)也有一些差異。這里再介紹一種目前應(yīng)用較廣的小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的參數(shù)。其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm(型號(hào)為18650)，其參數(shù)性能如表2所示。
過放電到零電壓試驗(yàn)
采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池做過放電到零電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天;存放到期后再用0.5C充電率充滿，然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。
試驗(yàn)的結(jié)果是，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良好，容量為100%;存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%;存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán)，容量又恢復(fù)到100%。
這試驗(yàn)說明該電池 即使出現(xiàn)過放電(甚至到0V)，并存放一定時(shí)間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。
