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关于动力电池的技术创新

钜大LARGE  |  点击量:503次  |  2018年11月28日  

摘要
新年伊始,一场关于电动汽车用动力锂离子电池技术路线之争就在行业内沸沸扬扬,一时间舆论大哗。事情的导火索源自于相关部门向工业和信息化部递交了“关于暂缓在电动商用车上使用三元材料动力锂离子电池建议的函”,而作为新能源汽车主管部门,工业和信息化部装备工业司张相木司长随后表示“组织开展对三元锂电池客车等车型在现行安全标准体系下的风险评估。

新年伊始,一场关于电动汽车用动力锂离子电池技术路线之争就在行业内沸沸扬扬,一时间舆论大哗。事情的导火索源自于相关部门向工业和信息化部递交了“关于暂缓在电动商用车上使用三元材料动力锂离子电池建议的函”,而作为新能源汽车主管部门,工业和信息化部装备工业司张相木司长随后表示“组织开展对三元锂电池客车等车型在现行安全标准体系下的风险评估。在评估完成前,暂停三元锂电池客车列入新能源汽车推广应用推荐车型目录。”消息一出就在业内引发广泛争议,此前已经减弱的锂离子动力电池路线之争再次抬头,业内人士也众说纷纭。锂离子动力电池路线之争再起波澜从锂离子电池问世到现在,关于正极材料的路线之争实际上从未消停过。锂离子电池主要结构包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜等,对其性能影响最大的就是正极材料。

动力电池技术创新才才会成为竞争的王者

锂离子电池产业化之初,正极材料主要采用钴酸锂(LCO),但随着锰酸锂(LiMn2O4(LMO1))、富锂锰酸锂(LiMnO2(LMO2))、镍钴锰酸锂(NCM)、镍钴铝酸锂(NCA)和磷酸铁锂(LFP)等材料逐步实现产业化,锂离子电池路线之争就此拉开帷幕。此时,锂离子电池主要还用于消费电子领域,尤其是以手机和笔记本电脑为主,衡量锂离子电池的关键指标包括容量、成本、安全性和循环特性等。钴酸锂是最先实现产业化的正极材料,但存在一些缺点如实际容量偏低、成本高等因素,同时在2004年之前手机和笔记本电脑用锂离子电池还时不时发送安全事故。为了寻找更好地正极材料,科研人员陆续发现了富锂锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂等,并逐步实现产业化,开始与钴酸锂抢占市场。随着锂离子电池生产技术不断改进,单体电池容量持续提高,应用于手机和笔记本电脑的锂离子电池安全问题基本解决,锂离子电池的路线之争此时趋于平淡,形成了以钴酸锂为主、其他正极材料为辅的锂离子电池用正极材料市场格局,此时三元材料(含镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂)和磷酸铁锂尚未大规模产业化。

动力电池技术创新才才会成为竞争的王者

2005年之后,三元材料和磷酸铁锂生产技术基本成熟,逐步实现大规模生产,凭借其性能优势,逐步开始抢占钴酸锂的市场份额。此时,由于锂离子电池应用市场主要还是在于手机、笔记本电脑,正极材料的路线之争并不突出。2007之后,智能手机、平板电脑开始流行,软包锂离子电池市场逐步扩大。但就正极材料而言,由于安全问题基本解决,同时由于智能手机、平板电脑更新速度快,对循环寿命要求不高,因此影响正极材料的关键因素就变成了实际容量、成本等。富锂锰酸锂和三元材料的优势慢慢凸显,市场份额逐步提升,钴酸锂的主体地位遭遇挑战。

2009年开始,全球主要国家纷纷开始出台刺激政策,推动新能源汽车应用推广,一时间纯电动汽车成为关注焦点。当下,纯电动汽车的动力来源基本上都是锂离子电池,锂离子动力电池路线之争成为行业焦点。对于电动汽车用锂离子来说,安全性、循环寿命、倍率特性、成本是主要考虑因素。容量虽然也是重点因素之一,但不同正极材料单体电池的容量与动力电池实际需求都存在较大差距,因此,动力电池对于单体电池容量的要求不如消费类电子产品用锂离子电池高。磷酸铁锂在循环寿命、安全性、倍率特性等指标方面均具备比较优势,迅速成为动力电池正极材料的宠儿,随着特斯拉采用三元材料的锂离子电池实现了高续航里程和动力性能,三元材料成为另外一种选择。对于纯电动汽车用锂离子电池来说,三元材料和磷酸铁锂路线之争达到顶峰。后来随着纯电动汽车产销量快速增长,锂离子动力电池市场需求迅猛增长,大家将更多的精力放到了扩大产业规模,路线之争趋于平静,市场在发展路线选择上开始发挥更大的作用。进入2016年之后,如前文所述,路线之争再次在锂离子动力电池领域引起波澜。

未来五大创新电池技术:锂电池环保空间大

1.由人体皮肤供电的新款电池

如今,智能腕表、蓝牙耳机(Bluetoothheadsets)、智能服装等“智能穿戴式设备(smartwearables)”越发流行,上述设备可追踪并记录用户的呼吸、心率及其他身体参数。为解决上述穿戴式设备的供电问题,科研人员正在研发一款电池,其所采用的电极就附着在用户的皮肤上。

目前,这款创新型电池正在测试中。当手指轻拍皮肤后,其产生的电量可点亮12个LED灯泡。值得一提的是,该电极可捕获皮肤上的电流,其金制膜层的厚度为50纳米,位于硅胶层(siliconerubberlayer)的下方,后者由许多小型柱状物构成,进而增大皮肤接触面。

动力电池技术创新才才会成为竞争的王者

2.快充技术(Quick-ChargeTechnology)

就在不久前,若智能手机的电量耗尽,这意味着用户需要为手机插上充电器,须等待30-60分钟才能为该设备充满电。如今,某些快充技术可将充电速度缩短为早前的六分之一。例如:高通“5for5”的创新技术的亮点在于“充电五分钟,通话5小时”,其旨在为采用骁龙芯片的手机与智能设备提供超快速充电服务,不仅大幅缩减了充电时间,还避免了充电时的等待。此外,该技术还减缓了用电量并减少了所需支付的电费。

3.安全性更高的固态电池

研究人员已研发出数款固态电池,该产品在多个方面领先当前普遍使用的锂离子电池。此外,固态电池的安全性更高,使用寿命更长,电量更为强大。这类新款充电电池可充电几十万次,等材料磨损后进行填埋处理。固态电池使电量提升超过30%,这意味着充电完后,其使用时间更长。由于固态充电电池属于非易燃品,对电动车而言,是一类极佳的车载电池。

4.锂离子电池

尽管固态电池可提供各类环保功能,但VisualCapitalist公司认为,锂离子电池在环保方面的改进空间较大。据估计,未来锂离子电池的电量将逐年增长6%-7%,这得益于锂离子电池阴极内铝、钴、锰、镍等金属含量的不断调整。科研人员对上述材料进行了大量试验,持续探索各材质的最佳配比,使其阴极的使用寿命延长,同时提升其能效。目前,研究人员正在测试硅质阳极,相较于当前采用的石墨阳极,其材质使电池的电量提升了10倍。

5.柔性电池(flexiblebattery)

亚利桑那州立大学(ArizonaStateUniversity)的研究团队受到日本折纸技艺的启发,采用了一种柔性储能技术,其研发的锂离子电池拥有大量的褶曲及切口(cuts),增强了电池的延展性及柔性。

据称,该款柔性电池的外观为弹性腕带,作为智能手表的重要部件之一。由于该腕带的延展性,这类可延展的欧星电池或将被缝入智能衣服中。智能穿戴式设备的供电或终将由这类电池驱动,该产品所耗费的资源要低于传统的散装电池。

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