鉛酸電池或被鋰電池替代

鋰電池自身的環(huán)保屬性、電動(dòng)車(chē)“新國(guó)標(biāo)”實(shí)施、鋰電池制造成本的下降，可謂是“天時(shí)、地利、人和”。多種因素環(huán)環(huán)相扣，未來(lái)電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)上鋰電池的需求將大幅度提升。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2021年，電動(dòng)自行車(chē)對(duì)錳酸鋰材料的需求量為28000噸。

行業(yè)前景大好，會(huì)有更多企業(yè)蜂擁而入。作為一家鋰電池企業(yè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)自己的市場(chǎng)定位，生產(chǎn)出質(zhì)量好、成本低的產(chǎn)品，才能占領(lǐng)市場(chǎng)，贏得更多消費(fèi)者。因此，探索更先進(jìn)的電池技術(shù)，保障鋰電池使用安全性，提高電池續(xù)航里程顯得尤為重要。

為了幫助電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)更好地降本增效，提升電動(dòng)車(chē)在輕量化、續(xù)航里程等方面的科技含量，由中國(guó)電池聯(lián)盟、中國(guó)電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)電池專委會(huì)、北京綠色智匯能源技術(shù)研究院聯(lián)合主辦“新形勢(shì)下中國(guó)電動(dòng)自行車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路暨電動(dòng)車(chē)用電池技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用峰會(huì)”于8月初召開(kāi)。

會(huì)議將就“新國(guó)標(biāo)對(duì)鋰電的要求”、“電動(dòng)自行車(chē)鋰電池回收經(jīng)濟(jì)性分析”、“鋰電池在電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀”、“新國(guó)標(biāo)下電動(dòng)自行車(chē)用鉛蓄電池企業(yè)該如何應(yīng)對(duì)”等業(yè)內(nèi)關(guān)心的話題深入探討。此外，會(huì)議期間還組織了到案例企業(yè)的技術(shù)參觀活動(dòng)。

隨著電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)越來(lái)越受歡迎，消費(fèi)者對(duì)電池組的續(xù)航能力也提出了更高的要求。延長(zhǎng)電池組的續(xù)航時(shí)間可讓車(chē)輛行駛更遠(yuǎn)里程而無(wú)需頻繁充電。

可以通過(guò)以下兩種方法來(lái)提高鋰離子（Li-ion）電池組的續(xù)航能力：增大電池總?cè)萘炕蛱岣吣苄?。增大電池總?cè)萘恳馕吨褂酶嗷蛐阅芨训碾姵貑卧@會(huì)顯著增加電池組的總體成本。而提高能效可在不增加容量的情況下為設(shè)計(jì)人員提供更多的可用能源。有兩種方法可以提高能效：提高荷電狀態(tài)精度和/或降低電流消耗。

要獲得更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，需要從電池組中吸收盡可能多的能量；但若發(fā)生過(guò)過(guò)度放電，電池將被永久損壞。為避免電池過(guò)度放電，準(zhǔn)確了解電池容量或荷電狀態(tài)信息至關(guān)重要。有三種方法可準(zhǔn)確測(cè)量荷電狀態(tài)：

• 電池電壓測(cè)量。

• 庫(kù)侖計(jì)數(shù)。

• TI Impedance Track™技術(shù)。

電池電壓測(cè)量是最簡(jiǎn)易的方法，但它也具有低精度的過(guò)載條件。庫(kù)侖計(jì)數(shù)測(cè)量并隨時(shí)間積分電流。但是，實(shí)現(xiàn)更佳的荷電狀態(tài)精度需要定期的全轉(zhuǎn)-空轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)周期，且荷電狀態(tài)精度將受到自放電和待機(jī)電流的影響。低溫和老化的電池也會(huì)降低荷電狀態(tài)的精度。Impedance Track技術(shù)通過(guò)學(xué)習(xí)電池阻抗直接測(cè)量放電速率、溫度、壽命和其他因素的影響。因此，即使電池老化和溫度過(guò)低，Impedance Track方法也能為您提供更佳的荷電狀態(tài)測(cè)量精度。

我們的精確測(cè)量和50μA待機(jī)電流，13S、48V鋰離子電池組參考設(shè)計(jì)使用BQ34Z100-G1，一種用于鋰離子、鉛酸、鎳金屬氫化物和鎳鎘電池的Impedance Track電量計(jì)，且獨(dú)立于電池串聯(lián)電池配置工作。此設(shè)計(jì)支持外部電壓轉(zhuǎn)換電路。該電路可自動(dòng)控制以降低系統(tǒng)功耗，并在每次充電時(shí)為用戶提供更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，而無(wú)需擔(dān)心過(guò)度放電可能造成的損壞。由于電流消耗低，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常有限。因此，我們會(huì)在室溫恒定放電電流下通過(guò)BQStudio直接從BQ34Z100-G1讀取數(shù)據(jù)。圖1所示為放電荷電狀態(tài)測(cè)試結(jié)果。

提高能效的第二種方法是降低電流消耗。精確的測(cè)量參考設(shè)計(jì)引入了優(yōu)化的偏置電源解決方案，如圖2所示。

圖2：整個(gè)系統(tǒng)偏置功率圖

此設(shè)計(jì)利用我們新的LM5164作為輔助電源。該100 V LM5164是一款寬輸入、低靜態(tài)電流降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，可保護(hù)系統(tǒng)免受標(biāo)稱48 V電池的潛在瞬態(tài)影響，并為3.3 V微控制器（MCU）和BQ34Z100-G1供電。LM5164的輸入由兩個(gè)信號(hào)控制：來(lái)自BQ76940的REGOUT和來(lái)自MSP430™ MCU的SYS。這兩個(gè)信號(hào)中的任何一個(gè)均為高電平，將導(dǎo)通Q1并啟用LM5164的輸入 - 從而啟用MCU電源。電路板剛出廠且電池管理電路板首次通電時(shí)，它處于出廠模式。除BQ76940外，整個(gè)系統(tǒng)未上電，實(shí)現(xiàn)低至5-μA的出廠模式電流消耗。按下按鈕S1將REGOUT設(shè)置為高電平并打開(kāi)系統(tǒng)電源。當(dāng)MCU上電時(shí)，它會(huì)將SYS設(shè)置為高電平。無(wú)論BQ76940處于關(guān)閉模式還是正常模式，整個(gè)系統(tǒng)都具有穩(wěn)定的電源。

您需要打開(kāi)MCU電源才能在待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)所有電動(dòng)自行車(chē)的電池組功能，包括充電器連接/拆卸和負(fù)載連接/拆卸。Q1應(yīng)該通電。要降低待機(jī)模式電流消耗，BQ76940通過(guò)I2C命令設(shè)置為關(guān)機(jī)模式。因此SYS為高電平，將Q1保持為通電狀態(tài)。LM5164設(shè)置為低開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，而MSP430 MCU處于低功耗模式。所有充電器連接/拆卸和負(fù)載連接/拆卸檢測(cè)均通過(guò)固件實(shí)現(xiàn)。待機(jī)電流消耗通常為50μA，如圖3所示。圖4所示為主板的出廠模式電流消耗。

1，目前業(yè)界比較公認(rèn)的鋰電發(fā)展路線是什么？

    經(jīng)過(guò)研發(fā)人員和工程師的不懈努力，從鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池，走到磷酸鐵鋰電池，再到現(xiàn)在主流的三元電池，每一次的提升，都是一代人的努力，基于提升鋰電池的安全性、能量密度、倍率性能，再結(jié)合目前電池研發(fā)現(xiàn)狀，總結(jié)出了未來(lái)鋰電池的一個(gè)發(fā)展路線。

    2020年是多陽(yáng)離子電極，主要以NCM、NCA復(fù)合正極材料，負(fù)極以C以及部分硅碳復(fù)合為主，能量密度大概300-350wh/kg。

    2020-2025年，以全固態(tài)鋰離子電池為主，金屬鋰負(fù)極或硅碳負(fù)極。能量密度400wh/kg，同時(shí)開(kāi)發(fā)鈉離子電池，鈉比鋰更加廉價(jià)，但比鋰離子大，且存在液態(tài)記憶。

    2025年后，主要以鋰硫電池-->鋰金屬電池-->>鋰空氣電池發(fā)展為主，這類(lèi)電池，能量密度更高，材料的可取性也越來(lái)越方便，但目前存在較多難題，還需要繼續(xù)去攻克，鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲(chǔ)量豐富，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達(dá)到 1675m Ah/g 和2600Wh/kg  ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的三元電池。并且硫是一種對(duì)環(huán)境友好的元素，對(duì)環(huán)境基本沒(méi)有污染，是一種非常有前景的鋰電池；鋰金屬電池，用鋰金屬箔來(lái)取代石墨，它可以容納更多的離子，但通常鋰金屬箔與電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，從而導(dǎo)致電解質(zhì)過(guò)熱，甚至導(dǎo)致燃燒，這一技術(shù)能將當(dāng)前鋰電池的體積縮小一半，從理論上來(lái)說(shuō)，如果電池體積不變，在搭載鋰金屬電池的情況下，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程將提升一倍；鋰空氣電池，是一種用鋰作陽(yáng)極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因?yàn)槠潢帢O(以多孔碳為主)很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里，理論上，由于氧氣作為陰極反應(yīng)物不受限，該電池的容量?jī)H取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg(包括氧氣質(zhì)量)，或11.4kWh/kg(不包括氧氣)。

2，能量載體基本要求有哪些？

    （1）原子相對(duì)質(zhì)量要小；

    （2）得失電子能力要強(qiáng)；

    （3）電子轉(zhuǎn)移比例要高。

3，電池的主要指標(biāo)有哪些？

    （1）容量；（2）能量密度；（3）充放電倍率；（4）電壓；（5）壽命；（6）內(nèi)阻；（7）自放電；（8）工作溫度范圍。

4，正極材料（LFP、NCM、LiCo等）特性有哪些？

    （1）較高的氧化還原反應(yīng)電位，高輸出電壓；

    （2）鋰元素含量高，能量密度高；

    （3）化學(xué)反應(yīng)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

    （4）電導(dǎo)率高；

    （5）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，不易分解和反應(yīng)；

    （6）價(jià)格便宜；

    （7）制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)；

    （8）對(duì)環(huán)境友好，污染低。

5，負(fù)極材料（Li、C、AL、鈦酸鋰等）特性有哪些？

    （1）層狀結(jié)構(gòu)或者隧道結(jié)構(gòu)，利于脫嵌；

    （2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，良好的充放電可逆性和循環(huán)性能；

    （3）鋰離子盡可能多的插入和脫嵌；

    （4）氧化還原電位低；

    （5）首次不可逆放電容量低；

    （6）與電解質(zhì)溶劑相容性較好；

    （7）價(jià)格低廉，材料易得；

    （8）安全性好；

    （9）環(huán)境友好。

6，提高電池能量密度的途徑通常有哪些？

    （1）提高正負(fù)極活性物質(zhì)占比；

    （2）提高正負(fù)極材料的比容量（克容量）；

    （3）減重瘦身。

7，如何提高鋰離子電池的充放電倍率？

    （1）提高正負(fù)極的鋰離子擴(kuò)散能力；

    （2）提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率；

    （3）降低電池內(nèi)阻（歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻）。

8，哪些因素影響鋰離子電池的循環(huán)壽命？

    （1）負(fù)極金屬鋰沉積；

    （2）正極材料的分解；

    （3）SEI的形成和再次消耗；

    （4）電解質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)在：總量減少，有雜質(zhì)存在 ，水滲入；

    （5）隔膜阻塞或破壞；

    （6）正負(fù)極材料脫落；

    （7）外部使用因素。

9，鋰離子電池內(nèi)部材料反應(yīng)分解溫度？

    （1）SEI膜分解，電解液放熱反應(yīng)，130℃；

    （2）電解質(zhì)分解，產(chǎn)熱，130℃-250℃；

    （3）正極材料分解產(chǎn)生大量氣體和氧，180℃-500℃；

    （4）粘結(jié)劑和負(fù)極活性物質(zhì)的反應(yīng)，240℃-290℃。

一般由于過(guò)充、大倍率放電、內(nèi)部短路、外部短路、振動(dòng)、碰撞、跌落、沖擊等造成短路，產(chǎn)生大量熱和氣體的一個(gè)過(guò)程。

10，未來(lái)最具潛力的幾種鋰電池材料

    （1）硅碳復(fù)合負(fù)極材料，能量密度高，產(chǎn)業(yè)化400wh/kg以上，但體積膨脹嚴(yán)重，循環(huán)差；

    （2）鈦酸鋰，循環(huán)10000次以上，體積變化＜1%，不形成枝晶，穩(wěn)定性極好，可快速充電，但價(jià)格高，能量密度低，約170wh/kg；

    （3）石墨烯，可用于負(fù)極材料和正極添加劑，導(dǎo)電性極好，離子傳輸快，首效差，約65%，循環(huán)差，價(jià)格高；

    （4）富鋰錳基電池，能量密度約900wh/kg，原材料豐富，但首效低，安全和循環(huán)差，倍率性能偏低；

    （5）NCM三元材料，一般在250wh/kg，配上硅碳負(fù)極，約在350wh/kg；

    （6）CNTs，碳納米管，導(dǎo)電性能優(yōu)越，優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性；

    （7）涂覆隔膜，基膜+PVDF+勃姆石，提高隔膜耐收縮性、熱傳導(dǎo)低，防止全部熱失控；

    （8）高電壓電解液，這個(gè)就不用說(shuō)了，隨著能量材料能量密度，電壓也相應(yīng)提高；

    （9）水性粘結(jié)劑，出于環(huán)境保護(hù)和健康。

結(jié)論

總之，參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了精確的荷電狀態(tài)測(cè)量（通過(guò)BQ34Z100-G1），并降低了待機(jī)和出廠模式電流消耗（通過(guò)優(yōu)化的偏置電源解決方案）。這兩種解決方案共同提高了電動(dòng)自行車(chē)電池組的能效，為用戶提供了更長(zhǎng)的使用時(shí)間。