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全面认识动力电池“能量密度”

   次浏览   动力电池热失控技术研究   2020-09-28

      随着新能源汽车的普及,电动汽车的续航问题变得越来越突出。谁的续航里程更高,谁就更能获得消费者的认可。而电动汽车的续航里程,和一个重要的电池参数有关:能量密度。一般来说,动力电池的能量密度越高,电动汽车的续航里程就越长。那么,到底什么是动力电池的能量密度呢?

       电池的能量密度指的是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。在弄清楚动力电池的能量密度之前,有必要弄清楚动力电池的构成。

       动力电池主要包括电芯(Cell)、模组(Module)、电池包(Pack)等。电芯(Cell)是一个电池系统的最小单元,M个电芯组成一个模组(Module),N个模组组成一个电池包(Pack)。它们之间通过各种控制器、电气装置连接,共同构成了电动汽车的电池动力系统。

       电芯主要由正极、负极、隔膜、电解质等组成。电动汽车用锂离子电池按照正极材料分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池和镍钴锰锂离子电池等。人们常说的“铁电池”,指的就是磷酸铁锂电池,这种电池用磷酸铁锂作为正极材料;人们常说的三元锂电池,就是正极材料使用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂的电池。

       电芯不能直接使用,只有加上保护电路和保护壳,再把它们组合起来,形成模组,才能直接使用。多数情况下,单个模组无法为汽车的长距离续航提供足够的电量,因此需要把多个模组组合起来,加上单体电池监控与管理装置,从而形成动力电池组。

由此,动力电池的能力密度有了两种衡量方法:电池单体能量密度(电芯)和电池系统能量密度(整个动力电池系统)。

       电池单体能量密度指的是电芯级别的能量密度。譬如,《中国制造2025》曾发布这样的发展规划:2020年,电池能量密度达到300Wh/kg;2025年,电池能量密度达到400Wh/kg;2030年,电池能量密度达到500Wh/kg,这里指的就是单个电芯级别的能量密度。

       所谓电池系统能量密度,是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统、热管理系统、高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间,因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。

       电池能量密度的高低,往往直接决定了电动汽车的续航里程。那么,怎样才能提高动力电池的能量密度呢?主要包括两个方向。


一、提高单体电芯能量密度:

       就单颗电芯而言,电池正负极材料、生产工艺等都会影响能量密度,因此就需要采用更合理的正负极材料,以及更好的生产工艺。譬如三元锂电池和磷酸铁锂电池,其能量密度之所以差异较大,就是因为采用了不同的正极材料。一般认为,磷酸铁锂电池单体能量密度提升的空间有限,而三元锂电池还有更多的提升空间,这也是很多汽车品牌选择搭载三元锂电池的重要原因。


二、提高电池系统能量密度:

       电池系统能量密度是电动汽车十分重要的性能参数。在电池单体能量密度已经确定的情况下,如何优化电池系统的空间和布局,对电池动力系统甚至整车进行轻量化设计等,就成了很多汽车品牌研究的方向。譬如弗迪品牌刚刚发布的“刀片电池”,其本质上的提升在于减少结构件,优化空间利用率。而三元锂电池的生产厂商也在这个领域继续投入和探索。


       就整个行业而言,无论是磷酸铁锂电池,还是三元锂电池,通过优化空间利用率、改善材料从而带来续航里程上的提升,其效果还是非常可观的。

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