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电动汽车锂电池技术的应用种类与安全性研究分析

2020-07-08 11:30 次阅读

车用动力电池主要有蓄电池和燃料电池两大类。顾名思义,蓄电池是利用化学物质在电池正负极间进行可逆的充放电反应储蓄和释放电能;燃料电池是利用化学物质不可逆的燃烧反应(氧化反应)形成电子迁移在正负极间产生电流和电压释放电能。所以蓄电池需要充电,而燃料电池需要加“燃料”,如氢燃料电池需要加注氢燃料。蓄电池放电反应通常没有排放物,而燃料电池放电通常排放其氧化物,如氢燃料电池排放水(2H2+O2 =2H2O)。

燃料电池技术和产业发展目前尚未达到规模应用阶段,仅有一些小规模应用如氢燃料电池汽车或实验研究阶段。目前市场上规模应用的动力电池都是蓄电池类,其中性能指标和应用验证最适合也是应用最广的是锂离子电池

锂离子电池构成:

电动汽车锂电池技术的应用种类与安全性研究分析

正极材料

通常由锂、钴、镍等金属材料,与导电剂、粘结剂等加工而成,是决定电池性能的主要材料。

负极材料

主要作为储锂的主体,在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱嵌,目前锂电池负极材料主要是石墨。

隔膜

经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子通过,而不让电子通过,实现在充放电过程中锂离子在正负极之间的迁移。

电解液

在电池内部正负极之间形成良好的离子迁移导体,一般由有机溶剂、电解质、添加剂等组成。

外壳

包装电池的壳体,根据形状不同主要分为:圆柱形,方形,软包。

锂离子电池充放电原理:

电池充电时:正极的锂原子电离为带正电荷的锂离子和电子,带正电的锂离子从正极出发,穿过薄膜到负极,并在负极与电子合成锂原子。

电池放电时:锂原子从负极材料表面电离为锂离子和电子,带正电的锂离子从负极出发,穿过薄膜到正极,并与电子合成锂原子。

锂离子电池的种类:

锂离子电池主要根据正极材料名称来命名,目前主要锂电池有:三元锂(NCM/NCA)、磷酸铁锂(LFP)、锰酸锂,钛酸锂等。

各种不同的锂离子电池其性能指标也有较大差异,三元锂电池能量密度最高,单位体积重量下电池容纳电量最多,从这个角度上来讲最适合提升电动汽车的续航里程。由于其能量密度的显著优势,以及新能源汽车补贴政策对续航里程的要求,一度被认为是电动乘用车未来的主流技术方向,但由于安全性较差,在数次失火事故后行业对其发展回归理性态度,但随着技术水平的不断提升,安全性也得到有效提升,目前仍是电动乘用车最主要电池技术之一。代表车厂:特斯拉

磷酸铁锂电池能量密度低于三元锂电池,但安全性好,被认为是最安全的锂电池技术之一,并且造价成本低于三元锂电池,但低温性能较差,其综合性能是目前与三元锂电池并驾齐驱的两种主流电动汽车电池技术。

由于电动乘用车的空间和载重有限,对电池要求体积小、重量轻、容量大,目前以三元锂和磷酸铁锂电池技术为主;大型车辆,如大型客车、货车、泥头车、工程车辆等,有更大的空间承载更重的电池,兼顾到安全性和成本因素,多使用磷酸铁锂电池。代表车厂:比亚迪。

锰酸锂电池应用较早,著名的日产聆风(Leaf)电动汽车即使用锰酸锂电池。自2010年上市,已经销往全球49个国家,据说创下了累计销售突破30万辆无一电池安全事故的记录。但由于能量密度低,已逐渐离开主流技术行列,目前应用较少。

钛酸锂电池具有几项显著的优异特性:安全性好,特别是大功率快充性能好,循环寿命长,低温适应性好。但同时也有较大的缺陷:能量密度低,生产成本较高(钛酸锂价格较贵)。目前主要应用在一些特殊用途和场景的车辆,如北方严寒地区公交车或工程车辆。代表车厂:珠海银隆。

经过前面的描述,小伙伴们应该对目前几种主要的电动汽车锂电池技术有了一定了解,以后看到它们就知道它们的种类了:

Tesla主要使用松下产三元锂电池比亚迪e6使用自产磷酸铁锂电池珠海银隆新能源客车使用自产钛酸锂电池比亚迪泥头车使用自产磷酸铁锂电池作了以上铺垫,下面可以来谈谈锂电池系统的安全性和充电快慢的问题。锂电池的充放电是一系列非常复杂的化学反应过程,其中影响安全性的因素很多,最为重要和关键的是锂电池充电过程中电池负极产生的锂支晶现象。

根据前文锂电池充放电原理可知,锂电池充电时正极的锂原子电离为锂离子和电子,锂离子从正极出发,穿过薄膜到负极,并在负极与电子合成锂原子。

目前锂电池负极材料通常为石墨,主要作用是吸收和嵌入从电池正极电离迁移而来的锂离子,但由于石墨负极的吸收嵌入能力有限,一旦电离迁移来的锂离子数量超过负极石墨可嵌入数量,在电流、离子浓度、负极表面粗糙度等一系列因素作用下锂离子将在负极表面结晶,通常称为锂枝晶。

形成锂枝晶是不可逆过程,锂离子一旦结晶将不能再参与电离反应,即造成了锂电池的容量和使用寿命衰减。若锂枝晶继续增大,电池将可能出现鼓包,失效等问题。从而造成了电动汽车故障的主要原因。

锂枝晶的形成过程:

锂枝晶微观图片:

锂电池结构损坏原理:

钛酸锂电池具有良好的安全性,大功率快充性以及循环寿命长等特点,其原因就是钛酸锂电池用钛酸锂代替石墨作负极,钛酸锂负极即使在大功率充电情况下也不易形成锂支晶,从而避免了产生的风险和问题的可能,并延长了电池的循环寿命。

因而对于目前锂电池技术原理来讲,大功率快充与安全性及循环寿命是此消彼长不可兼得的关系,提高充电功率缩短充电时间势必增加形成锂支晶的风险,影响安全性和循环寿命。同时提升两方面的性能正是锂电池厂家努力的方向。

另一方面科学家们也在另辟蹊径,试图通过改变锂电池基本材料和结构来解决安全性和能量密度的问题。如固态电池,将锂电池中易燃易爆的液态电解液换成不易燃的固态物质,将大大减少燃烧爆炸的风险。但由于固态电解质与正负极材料贴合度较低,影响锂离子传导,进而影响电池性能,同时由于成本原因,目前还尚未达到大规模应用的阶段。

所以要保障电动汽车使用安全,一方面要选择制造工艺和产品质量良好的锂电池和整车,另一方面要选择质量可靠性能稳定的充电设备,充电设备在为电池充电过程中与电池BMS交互信息,按照恰当的指令给电池提供匹配的充电功率,同时发挥着充电状态监控,安全保护,智能管理等多项重要功能,充电桩通过对充电各项指标的监控和分析,为充电提供全方位保护功能,包括过流保护、过压保护、过热保护、短路保护、反接保护、漏电保护、绝缘保护等,保障按电池实时状态精准分配充电功率和提供优质稳定的充电电能,是保障充电安全的关键环节。技术先进,质量良好,稳定可靠的充电设备将是充电安全的重要保障。

随着对电动汽车续航里程要求的不断提高,动力电池能量密度和容量不断增大,对充电时间要求不断缩短,大功率直流快充成为行业发展的趋势,目前国内主流招标直流充电桩功率已达到120KW~180kw/台, 特斯拉推出了最新一代超级充电桩Super charger V3,为Model 3充电功率到达250千瓦。国内主流充电桩厂家科士达也推出了性能优越的240KW直流大功率充电桩和360KW一托十分体式直流充电桩。预计到2021年~2022年单机功率达500KW以上的充电桩有望面市,单车充电功率也预计将达到200KW~250KW以上。

科士达360KW一托十分体式直流充电桩

对提升电动汽车使用体验的追求,也推动技术上必然向大功率快速充电方向发展,未来“充电10分钟,续航300公里”类似这样的广告宣传将是新能源汽车厂家有力的竞争砝码,但在锂电池的技术原理和物理结构没有本质改变情况下,大功率快充仍然对锂电池的循环寿命和安全风险产生一定的影响,所以建议即使未来技术达到,也不必一味追求充电时间短,毕竟电池成本将近占整车成本的一半,电池的使用寿命和安全性直接决定了整车的使用成本和安全性,在可选的情况下可更多使用中小功率慢充,保持电池的使用寿命,也降低充电安全风险。

在电动汽车选择方面,若看重续航里程长,带电量大等性能,可多关注三元锂电池汽车,通常高端车型比较多;若看重安全可靠,使用寿命等性能,则可多考虑磷酸铁锂电池汽车,通常中低端车型比较多。随着锂电池技术发展,两种电池技术的优缺点都在逐步提升和改善,未来或将一并发展。

在国家政策层面,5月29日,工信部装备工业发展中心发布关于实施电动汽车强制性国家标准的通知:实施《电动汽车安全要求》、《电动客车安全要求》、《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准。

在新基建和电动汽车产业的共同的推动下,充电桩将向更大功率的方向发展,对充电桩的质量和性能可靠性有了更高的要求,充电桩产品未来在安全监测,安全保护方面的技术还需要持续提升。大品牌,技术领先,质量优良,性能可靠的充电桩厂家将逐步发挥出优势。

而对新能源车主来说,购买优质可靠的电动汽车,选择质量可靠的大品牌主流充电设备如科士达充电桩,形成快慢充相结合的使用习惯,也是延长电池寿命,降低安全风险的有效方法。

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