電動(dòng)汽車用鋰電池材料:五種正極材料性能比較

電池制造商正在大力推廣電動(dòng)汽車。如果他們不成功會(huì)發(fā)生什么?就像20世紀(jì)90年代爆炸的燃料電池和過(guò)去10年發(fā)展起來(lái)的生物燃料一樣，沒(méi)有政府補(bǔ)貼，它們可能無(wú)法生存。美國(guó)能源部也承認(rèn)，鋰離子電池的一些關(guān)鍵參數(shù)無(wú)法滿足需求。新型的鎳氫電池比鋰離子電池更便宜、更安全，更適合電力系統(tǒng)，但由于研究已經(jīng)成熟，政府無(wú)法為其提供資金。

電力系統(tǒng)沒(méi)有理想的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，所以鋰電池仍然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖1顯示了五種替代電池，其中鋰鎳錳鈷(NMC)電池、磷酸鋰電池和鋰錳電池具有一定的優(yōu)勢(shì)。最受歡迎的消費(fèi)電子產(chǎn)品鈷酸鋰電池(未列出)是特斯拉和Smart Fortwo ED電動(dòng)汽車使用的能量密度最高的“計(jì)算機(jī)電池”，但由于價(jià)格昂貴，不適合在傳統(tǒng)電動(dòng)汽車中大量使用。人們需要在安全性、比能量、成本和高溫性能方面做出權(quán)衡。

 

圖1比較了五種類型的電池的性能就安全而言,特定的能量(也稱為容量),特定的權(quán)力(電池充放電的能力在一個(gè)大比例),高溫和低溫性能的電池,生活(包括服務(wù)和存儲(chǔ)生活),和成本。但是圖中并沒(méi)有提到充電時(shí)間。如果有合適的電源插座，電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的所有電池都可以快速充電。超高速充電是個(gè)例外，但大多數(shù)用戶仍然可以接受幾個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間。圖1也沒(méi)有列出自放電性能——另一個(gè)重要的電池特性。一般來(lái)說(shuō)，鋰電池的自放電率很低，如果電池是新的，幾乎可以忽略不計(jì)。然而，電池因高溫老化會(huì)加速自放電，造成電池管理問(wèn)題。在電動(dòng)汽車可用的電池類型中，磷酸鋰電池的自放電率比其他任何電池系統(tǒng)都要高。

 

圖1中5個(gè)電池的性能圖并不完全相同，但它們非常相似，沒(méi)有一個(gè)突出。例如，NCA雖然容量大，但不如低容量的磷酸鋰電池安全。如果沒(méi)有完美的電池，汽車制造商就會(huì)通過(guò)設(shè)計(jì)電池組合來(lái)彌補(bǔ)。因此，電池制造商一般根據(jù)要求來(lái)設(shè)計(jì)電池，以增強(qiáng)應(yīng)用所需的重要特性。以下是電力系統(tǒng)中電池的一些重要指標(biāo)。

 

 

 

安全性:選擇電動(dòng)車電池最重要的因素之一。一場(chǎng)被媒體和公眾輿論放大的事故，可能導(dǎo)致大眾汽車拒絕電動(dòng)汽車。100年前也發(fā)生過(guò)類似的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)和油箱爆炸。主要的問(wèn)題是電池的熱失控。堅(jiān)固的配件和精心設(shè)計(jì)的安全電路應(yīng)該是這個(gè)問(wèn)題的基本解決方案，但仍然存在風(fēng)險(xiǎn)。電池在濫用和長(zhǎng)期使用后必須是安全的。

 

壽命:反映電池的循環(huán)次數(shù)和儲(chǔ)存壽命。大多數(shù)電動(dòng)汽車的電池續(xù)航時(shí)間為8至10年，一次充電可行駛160公里(約100英里)。電池老化引起的老化是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題(尤其是在炎熱的氣候中)。汽車制造商缺乏關(guān)于電池在不同條件和氣候下如何老化的數(shù)據(jù)。因此，制造商往往會(huì)加大電池組的尺寸，以彌補(bǔ)電池容量的損失，從而確保汽車可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使用。

 

電池的高低溫性能:反映了電池在極熱的夏季和極低的溫度下的性能。與在大范圍溫度下工作的內(nèi)燃機(jī)不同，電動(dòng)汽車的電池需要高溫。當(dāng)汽車僅由電池供電時(shí)，調(diào)節(jié)電池溫度所需的能量，汽車內(nèi)部的加熱和冷卻也將來(lái)自電池。

比能:電池中每單位重量的能量，反映了汽車的行駛里程。很明顯，電池每單位重量只能產(chǎn)生化石燃料1%的能量。一公斤(1.4升，0.37加侖)的汽油能產(chǎn)生大約12千瓦時(shí)的電，而一公斤電池只能產(chǎn)生大約120千瓦時(shí)的電。但是請(qǐng)記住，電動(dòng)機(jī)的效率超過(guò)90%，而內(nèi)燃機(jī)的效率只有30%。盡管在效率上有這樣的差異，如果沒(méi)有增加2到4倍的儲(chǔ)能能力，電池不太可能跟上內(nèi)燃機(jī)。

 

比功率:與汽車的加速能力有關(guān)，大多數(shù)電動(dòng)汽車電池的比功率都不低。與同等馬力的內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)具有更好的轉(zhuǎn)矩比。

 

成本:這是電動(dòng)汽車的主要缺點(diǎn)。波士頓咨詢集團(tuán)預(yù)測(cè)，很難將電池的目標(biāo)成本限制在250-400美元/千瓦時(shí)。還有其他因素導(dǎo)致成本增加，如安全保護(hù)電路的調(diào)節(jié)、電池管理狀態(tài)、環(huán)境溫度控制的維護(hù)、8-10年的保修期。這些因素導(dǎo)致電池的價(jià)格與非電動(dòng)汽車相當(dāng)，而非電動(dòng)汽車的價(jià)格實(shí)際上又翻了一番。