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电池能量密度和安全性如何协同提升

2019-12-24 浏览次数:1,800 次 中国汽车报网

调查显示,近期新能源汽车起火事故频发,已成为私人消费市场对新能源汽车接受度不高的原因之一。今年夏季是新能源汽车自燃事故的高发期。相关统计数据显示,在5月到7月的3个月时间里,新能源汽车国家监管平台统计发现了79起电动汽车安全事故,涉及车辆96辆。

“新能源汽车行业面临的安全问题主要还是电池安全性和可靠性的问题。”北京大学应用化学研究所教授其鲁表示,“这些问题的出现不是简单的补贴退坡所致,本质还是材料问题和电池本身的技术问题。”行业人士认为,能量密度和安全性同时提升,是电动化时代对电池的必然要求。

 ■方形叠片、无模组 BMS管理是重要方向

“电动汽车电池能量密度的提高,不但能解决里程焦虑问题,还能减低电池成本,全世界科学家在这方面做了很多努力。”清华大学锂离子电池实验室主任何向明如是说。据了解,提升能量密度的传统方法有提高压实密度、减薄隔膜、减薄铜铝箔、减少安全设计冗余等。不过,这些传统方法,无法兼顾同时提升能量密度和安全性。目前,很多动力电池企业都在围绕能量密度与安全性协同研究创新性解决方案。

电池工艺经历了从圆柱卷绕、方形卷绕、软包叠片、软包卷绕、方形叠片的演变过程。据蜂巢能源科技有限公司总经理杨红新介绍,在兼顾能量密度和安全性方面,方形叠片工艺有着先天优势,不仅能够保持电池密封性,提高密度,还可以降低成本。在保证放电功率性能的同时,提高回充的功率性能,同时降低短路风险。

值得关注的是,动力电池逐渐向无模组方向发展。行业人士表示,无模组电池包能量密度较传统电池包提升10%~15%,传统电池包能量密度平均为180Wh/kg,而无模组电池包能量密度可达到200Wh/kg以上。“取消模组之后,释放出的空间不仅可以增大电芯间隙,还可以增大电池距离下箱体边梁的间隙。只要间隙设计合理,远离侧边梁,在提高能量密度的同时还能提高安全性。”杨红新表示,此外,把电池管理系统做好也是一种更低成本、更高效率解决能量密度和安全性之间矛盾的有效方式。

  ■多元材料成为主流

由于目前负极材料的能量密度远大于正极材料,所以提高能量密度就要不断升级正极材料。国内外动力锂电池正极材料技术路线主要有3个流派:磷酸铁锂派、锰酸锂派、三元派(NCA/NCM)。用磷酸铁锂作为正极材料,电池充放电循环寿命长,但其能量密度、高低温性能、充放电倍率特性均较差,且生产成本较高,目前磷酸铁锂电池技术和应用已经遇到瓶颈;用锰酸锂作为正极材料,电池能量密度低、高温下的循环稳定性和存储性能较差;多元材料因具有综合性能高和低成本的双重优势日益被行业所关注和认同,逐步超越磷酸铁锂和锰酸锂成为主流的技术路线。

三元材料主要以NCM三元和NCA三元为主。在三元材料中,随着镍元素含量的升高,正极材料的比容量逐渐升高。随着人们对电动车续驶里程的要求越来越高,高镍体系的NCM811和NCA材料的研发也越来越迫切。杨红新表示:“由于钴资源的稀缺性,无钴材料可以极大程度降低成本,但高镍无钴电池材料也面临着很多技术挑战,预计未来70%的无钴电池材料有希望开发成功。”

“电池技术发展的路径,一条是颠覆性的,一条是渐进式的。目前电池企业大部分都在做渐进式开发。”何向明表示,“可以用红磷做为负极材料,也可以全部用硅,那么整个电池的设计、电解液体系都要做相应改变,这就是颠覆式开发。”中国动力电池创新联盟副秘书长王子冬强调,提升动力电池性能,不仅需要改进正负极材料,还需要兼顾工艺、设计等方面的改进。

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