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如何提升动力电池能量密度?三大路径揭晓

瑾年Invader
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2017年,国家对于新能源汽车的补贴较2016年下降幅度较大。曾有知情人士透露,一些规模较小的新能源整车企业由于补贴退坡而被迫转行,留下来的新能源汽车整车制造企业在提高产品性能、质量上也开始下大力气。但这些坚守阵地的企业该如何生存,新能源汽车动力电池能量密度提高等难题该如何解决?国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬曾就动力电池能力密度问题表示,电池能量密度不是单纯指电芯级别的能量密度,而应该是电池组级别的,是系统的能量密度,相关标准也已经提高到系统层面。

深度解析动力电池提升能量密度的三大路径

那么该如何提升动力电池系统能量密度?

提升轻量化水平 间接提高动力电池能量密度

以前新能源汽车生产企业多采用钢材料制作电动汽车动力电池托盘,现在很多企业都在以铝合金材料为主。铝合金的密度为2.7g/cm3,无论在压缩还是焊接等方面,铝合金材质都已非常优秀。而镁合金的密度为1.8g/cm3,碳纤维是1.5g/cm3,这些材料用来生产电池托盘,将可以极大地提高新能源整车的轻量化水平。王子冬认为,轻量化技术仍在不断发展中,未来也将有更多轻量化材料问世。他表示,不仅应研究电池托盘材质的轻量化,从动力电池单体到系统,都要考虑材质的轻量化问题,这样才能最大限度地提高动力电池的能量密度。

轻量化需要减轻配件重量,但不能降低配件的强度,因此材料的坚固性需要考虑。另外,采用更轻的材料,将会面临成本上涨的问题。因此在动力电池成本还未大规模下降的情况下,实现整车轻量化的当务之急是研发出更可靠、经济的轻量化材料。在此方面,国外研究发展情况较好。2016年,沃尔沃就宣布电动汽车电池轻量化进入实用化测试阶段。沃尔沃表示,如果将目前的电动汽车电池全部更换成新型轻量化材料,可以降低车重超15%,而且材料成本更低也更为环保。但我国在这方面的研究和应用上还比较滞后,须努力追上国外企业的步伐。

纠结铁锂还是三元 不如布局硅碳负极

作为国内两大主流技术路线,近些年磷酸铁锂和三元材料的能量密度都有所提升。由于三元的能量密度更高,而补贴政策又更倾向于高能量密度产品,因此各大电池企业都将三元电池作为公司下一代产品的主力。例如,天劲股份称目前已量产三元单体电芯比能量达215wh/kg,2017年还将量产230Wh/kg的产品,近期重点发展高镍三元材料电池;比克18650圆柱第三代2.9Ah产品已经实现量产,能量密度约218Wh/Kg,目前重点开发高镍811/NCA体系。但比亚迪股份有限公司总经理沈晞认为,虽然三元和铁锂两者在单体能量密度方面相差较大,但在成组后的系统能量密度方面相差无几,在成本和电池储存难度上也无较大差异。所以沈晞建议企业在提升动力电池能量密度的规划上,可以考虑从动力电池负极材料入手,在量产产品中应用硅材料(如氧化亚硅负极材料等),从而提升电池组的整体能量密度。

更改电池尺寸 提升系统能量密度

更改电池尺寸依然是提升电池能量密度的有效方式。虽然特斯拉选择18650技术路线成功吸引了国内众多动力电池企业的追随,但由于18650电芯单颗容量小,普遍在2-4Ah左右,串并联数量太多,单体失效风险概率较大,导致其在主流新能源乘用车和客车领域的应用受到一定限制。2017年,率先使用18650电池的特斯拉将目光转向了21700电池并已经实现量产。据特斯拉CEO马斯克介绍,当使用21700电池的Model 3汽车上市之后,将会重新审核是否选用21700电池制造Model S和Model X型号汽车。一旦审核通过,21700电池很有可能全面替代特斯拉汽车上的18650电池。据了解,特斯拉采用21700电池后,由于同等能量下,所需电池的数量减少约1/3,这将带来整个Pack内部金属连接件数量的减少,从而进一步降低电池Pack的重量,整车的能量密度将得到部分提升。而这种方式也为国内18650电池企业在提升能量密度和降成本方面提供了参考。据了解,目前国内18650电池企业基本上都对特斯拉的方式表示认可,并且也在进行相关布局。其中,深圳比克、远东福斯特、猛狮新能源等圆柱电池企业都明确宣称将在未来产能扩充中投产21700电池,而亿纬锂能首条21700产线已经正式投产,力神的21700产线也即将投产。

同样,对于软包和方型电池而言,改变尺寸也可以从一定程度上提升系统能量密度。

在后补贴时代,市场需要的是真正满足消费者需求的电动汽车。新能源汽车的动力电池也绝不是用小容量的电池并联,或者把小容量电池放大这么简单。动力电池企业应该从新能源汽车的整体角度进行考虑,通过多种方式提升动力电池的能量密度,逐步让消费者摆脱“里程焦虑”。

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