詳解石墨烯電池、鉛酸電池、鋰電池,誰會成為新國標(biāo)電動車的選擇?
來源:寶鄂實業(yè)
2019-03-29 13:57
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提起電動車電池,大家耳熟能詳?shù)臒o外乎這三種電池,鉛酸電池、鋰電池以及近幾年比較火的石墨烯電池。那么,你認(rèn)為當(dāng)新國標(biāo)正式實施后,未來電動車會選擇哪種電池?對于這個問題,我們先來看看每種電池的特點。
鉛酸電池主要由管式正極板、負極板、電解液、隔板、電池槽、電池蓋、極柱、注液蓋等組成。其電極是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成,電解液是硫酸的水溶液。主要優(yōu)點是電壓穩(wěn)定、價格便宜,缺點是比能低、使用壽命相對較短和需要經(jīng)常維護。不可否認(rèn),以目前市場來看,鉛酸電池占據(jù)著主導(dǎo)地位。
一般來說,鋰離子電池主要包括正極、負極、隔膜和電解液四個組成部分。正極材料一般都是一些富鋰的層狀化合物,目前常見的商用正極材料主要有鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)以及三元材料(LiMnxCo1-x-yNiyO2)等。與鉛酸電池相比,鋰電池相對輕巧,攜帶方便,能量密度更高,而壽命相對要長很多,但是價格更貴,穩(wěn)定性差。
所謂的石墨烯電池,可以理解為我們平時說的黑金電池,其是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發(fā)出的一種新能源電池。作為目前最薄、最堅硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料。同時,石墨烯聚合材料電池的重量僅為傳統(tǒng)電池50%,成本將比鋰電池低77%。從性能來看,全石墨烯鋰電池充電一次,耗時也不超過10分鐘。(一般行業(yè)都是直接將電極摻雜的石墨烯的石墨基儲能材料直接統(tǒng)稱為石墨烯電池,并非全石墨烯)
從特點來看,石墨烯電池的綜合性能是最好的,但是為什么沒有成為主導(dǎo)呢?石墨烯在電池上的應(yīng)用,主要是和硅結(jié)合在電池負極里面代替原來的石墨,這樣可以提升電池的整體容量和充電速度,但性能提升效果有限。另一方面雖然目前,很多企業(yè)都推出過黑金電池,但是大多在這一領(lǐng)域處于探索的階段,而其價格又相對較高,所以這也是其得不到重大應(yīng)用的原因之一。另外,石墨烯污染較為嚴(yán)重,墨烯生產(chǎn)需要用到大量的硫酸,處理也很麻煩。簡單來說,第一,價格;第二,技術(shù);第三,處理麻煩。
我們再看新國標(biāo)的出臺,其對電動自行車速度、重量等都有明確的規(guī)定,這意味著大型鉛酸電池將逐漸失去市場,而小型鉛酸電池短時間內(nèi)會迎來一定的發(fā)展。但隨著環(huán)保整頓的推進,鉛酸電池還會出現(xiàn)向鋰電池過渡的情況,而鋰電車必然會迎來一波爆發(fā)期。又有人會說了,石墨烯電池呢?雖然石墨烯電池擁有很多鉛酸電池和鋰電池沒有的優(yōu)點,但是,其想成為主導(dǎo),其技術(shù)必須得到突破性的發(fā)展。因此,我個人更看好小型鉛酸電池和鋰電池在未來新國標(biāo)電動車上的應(yīng)用。
磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池,這名字太長,簡稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動力方面的應(yīng)用,則在名稱中加入“動力”兩字,即磷酸鐵鋰動力電池。也有人把它稱為“鋰鐵(LiFe)動力電池”。
意義
截止本人增補此詞條(2013年4月24日),金屬交易市場,鈷(Co)最貴,并且存儲量不多,鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜,而鐵(Fe)最便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此,采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個特點是對環(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,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))、對環(huán)境無污染上,它是最好的,是目前最好的大電流輸出動力電池。
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)組成的電池負極,由銅箔與電池的負極連接。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,正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子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。由于各個生產(chǎn)廠家采用的正、負極材料、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同,其性能上會有些差異。例如同一種型號(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)的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數(shù)上會有一些差別;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。
磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別,可以分成三類:小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。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力電池的參數(shù)。其外廓尺寸:直徑為18mm、高650mm(型號為18650),其參數(shù)性能如表2所示。
過放電到零電壓試驗
采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件: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%。
這試驗說明該電池 即使出現(xiàn)過放電(甚至到0V),并存放一定時間,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。












