目前的汽车动力电池基本都是二次电池,根据介质的不同,二次电池主要包含铅酸电池,镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池,锂金属电池等。
镍镉电池,电压3.7V左右;
镍镉/镍氢/锂离子混合电池,电压3V以上。
由于目前的动力电池在设计和生产工艺方面还不是很成熟,所以能量密度和续航里程一直都是大家关注的重点。而动力电池的能量密度又直接影响到了整车的续航里程。
几种锂电池相比较而言,在安全性、成本及性能表现等方面各有优劣。
磷酸铁锂(简称LFP),安全性能好,循环寿命长,原材料资源丰富,但其能量密度低,低温性能差。
锰酸锂,资源丰富,成本相对较低,但其高温循环性能及电化学稳定性差。
钴酸锂,是最早实现商业化的锂电池正极材料,但其缺点是比容量太低、安全性差,成本也较高。
三元材料,分为镍钴锰(NCM,以蔚来为代表)和镍钴铝(NCA,以特斯拉为代表)两种,其中钴是三元锂必不可少的材料,因为钴本身是有毒性的,因此“少钴化”也是目前三元电池领域研究的一个课题。
从成本、安全、性能等综合因素考量,目前市面上的动力电池主要以磷酸铁锂及三元锂电池为主。
容量
一般来说,锂电池容量是指在一定的充放电条件下,能够从正极材料上移除电子,并且被外部电路所吸收的容量。锂电池的容量是随其工作电压变化的,它与使用的正极材料、电解液、隔膜等材料有很大关系。目前生产的锂电池,其电压范围为3.6~3.8V。在锂离子电池中,一般采用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料。在高电压时,LiFePO4正极材料中的金属离子会从活性物质上分离出来,在负极发生反应;而在低电压时,金属离子不会与负极发生反应。所以说,高电压时,正极材料中的活性物质被激活了;而低电压时,负极材料中的活性物质则被激活了。电池容量越大就说明其充放电越快。
电压
电池组中各单体电池的电压是相等的,但由于在单体电池之间会有电阻,所以电压并不完全等于各单体电池的电压之和,而各单体电池的电压又不相同。为了解决这个问题,人们想到了把电池组中的各单体电池并联,从而使各单体电池的电压之和等于整个电池组的电压。这样就得到了电池组的电压。为了解决电压不均匀问题,人们又想到了将电池组中各个单体电池并联。在使用时,为了保证蓄电池具有一定的放电容量,使之有足够大的放电深度和放电电流,必须使用合适的电解液和电解质,这就需要有合适的电解液和电解质。当用适当的电解液和电解质作为填充剂时,就可使这些电池组合成一个电池组。对于蓄电池而言,一般是用两种或两种以上不同类型的蓄电池串联起来作为一个电池组使用。在串联时必须保证它们之间有合适的电压差,否则将不能构成电池组。
能量密度
能量密度是指单位重量电池存储的电能,也就是电池的能量密度,用W/kg来表示。影响动力电池能量密度的因素主要有材料、制造工艺和结构等。其中材料决定了动力电池的成本,制造工艺决定了其质量,而结构则影响着电池的体积和重量。理论上,单体锂离子动力电池的能量密度越高,则其体积和重量就越小。
目前锂离子动力电池普遍采用镍钴锰(NCM)三元锂离子材料作为正极材料,使用镍、钴、锰三种金属元素作为负极材料;正负极材料混合使用提高了动力电池的能量密度。以NCM811正极材料为例,其能量密度约为400 Wh/kg左右,而NCM622正极材料则可以达到500 Wh/kg左右。
功率密度
功率密度也叫功率/质量比,指的是单位重量的电池可以输出多少电能,或者说单位体积输出多少电量。例如:一辆电动汽车,电池容量为100 Ah,电池的重量为100 kg,那么百公里耗电量为1 kWh。现在新能源汽车一般采用三元锂离子电池,其单体电池的容量为80 Ah。
一辆纯电动汽车的额定功率为80 kW,按照上面公式计算出百公里耗电量为1 kWh/100 km。
根据上述公式计算出电动汽车百公里耗电量为1 kWh/100 km时,在相同的动力电池能量密度下,功率密度越高则说明电动汽车的续航里程越长,因此动力电池的功率密度越高也就代表着电动汽车的续航里程越长。
体积效率
在实际的电池使用过程中,并不是电池越重效率就越高,这与电池的质量、体积、重量等有很大关系。当电池质量相同时,体积越小,效率越高。目前,常见的动力电池主要分为三种:三元锂电池、磷酸铁锂电池和三元镍氢电池。
三元锂电池(又称三元材料)能量密度最高,但体积能量密度较低;磷酸铁锂电池(又称铁锂材料)体积能量密度仅次于三元锂电池,但比能量低;三元镍氢电池(又称镍氢材料)的体积能量密度相对较高。
根据目前的研究,三元材料的体积能量密度达到300 Wh/kg时,与磷酸铁锂相当;磷酸铁锂的体积能量密度达到500 Wh/kg时,与三元锂相当。因此在不降低其他性能的前提下,提高三元材料的体积效率可以大大提升动力电池的能量密度。目前三元材料的体积效率在80%左右,未来随着技术提升将有可能突破90%。
循环寿命
动力电池的循环寿命是指动力电池在使用后,经过一次完整充电循环后,能维持的最高放电容量与初始容量之比。动力电池在充放电循环中,容量衰减是必然的,因此,只有在确保动力电池足够安全和足够可靠的前提下,才能提高动力电池的寿命。因此,只有将电池中不可逆的结构破坏降至最低限度,才能使其循环寿命达到最佳值。
目前市场上大部分动力电池都可以通过高温预处理、过充保护和过放保护等措施来延长动力电池的寿命。而磷酸铁锂动力电池是一种无记忆效应的锂离子二次电池。磷酸铁锂的放电原理是:在正极材料中含有大量的磷酸铁锂(LiFePO4),其特点是高电压、高比能量、高安全性和低自放电率。所以磷酸铁锂动力电池拥有比较长的循环寿命和比较稳定的能量密度。但其缺点也非常明显,就是成本过高、安全性差、循环寿命短等。
安全性
目前的电动汽车采用的电池都是磷酸铁锂电池,该电池化学性质非常稳定,且不会自燃,不会爆炸。
铅酸电池的化学性质比较活泼,有一定的自燃点。当其内部的电解液泄漏时,会使其失去电解能力而发生燃烧;如果电池受到外力碰撞、挤压或被剧烈冲击时,也会使其内部电解液泄漏,引起火灾。但是铅酸电池具有体积小、重量轻、价格低、安全性好等特点,并且没有爆炸和燃烧等危险。
锂离子电池,安全性较好。由于锂离子电池不存在爆炸和燃烧的危险,所以在一般情况下不会发生危险。但是如果使用不当或者在存放时受到外力碰撞就可能引起爆炸。