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動(dòng)力電池能量密度的全面解析

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:鋰電那些事 ? 2023-01-31 17:30 ? 次閱讀

續(xù)航能力↑=可用電量↑÷能耗↓ 在相同能耗不變,電池包體積和重量不變都受到嚴(yán)格限制的情況下,新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。

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圖1 電池包系統(tǒng)在整車中的布局 什么是能量密度? 能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個(gè)維度。 電池重量能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/重量,基本單位為Wh/kg(瓦時(shí)/千克) 電池體積能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/體積,基本單位為Wh/L(瓦時(shí)/升) 電池的能量密度越大,單位體積、或重量?jī)?nèi)存儲(chǔ)的電量越多。 什么是單體能量密度? 電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的概念,一個(gè)是單體電芯的能量密度,一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度。 電芯是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元。M個(gè)電芯組成一個(gè)模組,N個(gè)模組組成一個(gè)電池包,這是車用動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)。

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圖2 動(dòng)力電池系統(tǒng)構(gòu)造示意圖 單體電芯能量密度,顧名思義是單個(gè)電芯級(jí)別的能量密度。 根據(jù)《中國制造2025》明確了動(dòng)力電池的發(fā)展規(guī)劃:2020年,電池能量密度達(dá)到300Wh/kg;2025年,電池能量密度達(dá)到400Wh/kg;2030年,電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。這里指的就是單個(gè)電芯級(jí)別的能量密度。 什么是系統(tǒng)能量密度? 系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個(gè)電池系統(tǒng)的電量比整個(gè)電池系統(tǒng)的重量或體積。因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng),熱管理系統(tǒng),高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間,因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。 系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積 究竟是什么限制了鋰電池的能量密度? 電池背后的化學(xué)體系是主要原因難逃其咎。 一般而言,鋰電池的四個(gè)部分非常關(guān)鍵:正極,負(fù)極,電解質(zhì),膈膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方,相當(dāng)于任督二脈,重要地位可見一斑。

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圖3 方殼電芯結(jié)構(gòu)圖 我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為什么呢? 現(xiàn)有的鋰離子電池負(fù)極材料多以石墨為主,石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰?yán)碚摽巳萘恐挥?60mAh/g,而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。 根據(jù)木桶理論,水位的高低決定于木桶最短處,鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。 磷酸鐵鋰的電壓平臺(tái)是3.2V,三元的這一指標(biāo)則是3.7V,兩相比較,能量密度高下立分:16%的差額。 當(dāng)然,除了化學(xué)體系,生產(chǎn)工藝水平如壓實(shí)密度、箔材厚度等,也會(huì)影響能量密度。一般來說,壓實(shí)密度越大,在有限空間內(nèi),電池的容量就越高,所以主材的壓實(shí)密度也被看做電池能量密度的參考指標(biāo)之一。 在《大國重器II》第四集中,寧德時(shí)代采用了6微米銅箔,利用先進(jìn)的工藝水平,提升了能量密度。 如果你能堅(jiān)持每行讀下來一直讀到這里。恭喜,你對(duì)電池的理解已經(jīng)上了一個(gè)層次。 如何提高能量密度呢? 新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長(zhǎng)袖善舞”的三塊舞臺(tái)。下面,我們會(huì)從單體和系統(tǒng)兩個(gè)維度進(jìn)行講解。 ——單體能量密度,主要依靠化學(xué)體系的突破 增大電池尺寸 電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達(dá)到電量擴(kuò)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(dòng)車企特斯拉將換裝新款21700電池。

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圖4 不同尺寸的圓柱電池對(duì)比 但是電芯“變胖”或者“長(zhǎng)個(gè)”只是治標(biāo),并不治本。釜底抽薪的辦法,是從構(gòu)成電池單元的正負(fù)極材料以及電解液成分中,找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。 化學(xué)體系變革 前面提到,電池的能量密度受制于由電池的正負(fù)極。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極,所以提高能量密度就要不斷升級(jí)正極材料。 高鎳正極 三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族,我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。 在圖5中幾種典型三元材料中可以看出,鎳的占比越來越高,鈷的占比越來越低。鎳的含量越高,意味著電芯的比容量就越高。另外,由于鈷資源稀缺,提高鎳的比例,將降低的降低鈷的使用量。

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圖5 不同正極材料的克容量對(duì)比 硅碳負(fù)極 硅基負(fù)極材料的比容量可以達(dá)到4200mAh/g,遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極理論比容量的372mAh/g,因此成為石墨負(fù)極的有力替代者。 目前,用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式,已是業(yè)界公認(rèn)的鋰離子電池負(fù)極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負(fù)極。 在未來,如果想要百尺竿頭更進(jìn)一步——突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口,業(yè)內(nèi)同行們可能需要著眼于鋰金屬負(fù)極型的電池體系,不過這也意味著整個(gè)電池制作工藝的更迭與精進(jìn)。

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圖6 鋰離子電池電池體系的高能化發(fā)展趨勢(shì) 系統(tǒng)能量密度:提升電池包的成組效率 電池包的成組考驗(yàn)的是電池“攻城獅“們對(duì)單體電芯和模組排兵布陣的能力,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 優(yōu)化排布結(jié)構(gòu) 從外形尺寸方面,可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置,讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效。 拓?fù)鋬?yōu)化 我們通過仿真計(jì)算在確保剛強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下,實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)。通過該技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實(shí)現(xiàn)電池箱體輕量化。 選材 我們可以選擇低密度材料,如電池包上蓋已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋,可以減重約35%。針對(duì)電池包下箱體,已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方案,減重量約40%,輕量化效果明顯。 整車一體化設(shè)計(jì) 整車一體化設(shè)計(jì)與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通盤考慮,盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件,例如防碰撞設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)極致的輕量化

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圖7 整車集成模態(tài)仿真

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圖8 整車集成模態(tài)仿真 電池是一個(gè)很全方位的產(chǎn)品,你要提升某一方面的性能,可能會(huì)犧牲其他方面的性能,這是電池設(shè)計(jì)研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動(dòng)力電池屬于車載專用,因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。

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原文標(biāo)題:動(dòng)力電池能量密度全面解析!

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