鉅大LARGE | 點擊量：1333次 | 2021年11月18日
超低溫(-40℃)動力鋰電池基本特性介紹及分析看法
目前新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈(全行業(yè))都在為磷酸鐵鋰系的動力鋰離子電池在低溫下的充放電性能不佳而發(fā)愁，尤其是低溫條件下充電無法滿足我國北方地區(qū)的市場要求?？蛙噺S想通過對動力鋰離子電池加熱而提高動力鋰離子電池溫度，但是車上加熱的能源從什么地方來?有些動力鋰離子電池廠家對外宣稱已經(jīng)成功研究出低溫環(huán)境下的動力鋰離子電池，筆者一直等待看到實際效果。
2016年十月29號淄博國利新電源科技公司石總工向筆者介紹了他研發(fā)的鎳氫動力鋰離子電池在超低溫(-400C)環(huán)境下能正常充放電，引起了我的興趣。石總工給了技術(shù)資料，筆者進行了認真的學(xué)習(xí)，同時受邀到淄博市公交車場站的現(xiàn)場，查看實際應(yīng)用情況?，F(xiàn)將有關(guān)體會分享給大家。
一、目前用戶端對純電動汽車的抱怨情況
一次持續(xù)里程太短。目前純電動汽車實際工況下里程不到200公里，這與燃油車相比還差400公里。此瓶頸不能解決的話，純電動汽車的大面積推廣可能性不大。
電能補給的時間太長，燃油車補給時間在10分鐘以內(nèi)，而純電動汽車的電能補給在3個小時以上，這對大眾消費者而言，是很難接受的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
車輛要保障安全是底線，即車輛自己不能燃燒、不能爆炸。
我國北方(西北、華北、東北等)地區(qū)對車輛適宜的環(huán)境溫度更為苛刻，溫度在(-40℃～+50℃)范圍內(nèi)，車輛要能正常運行。目前大家都在努力。
二、解決用戶抱怨的基本途徑分析
(一)持續(xù)里程太短的解決辦法
1)提高電池比能量，這是電池公司的科技攻關(guān)課題。目前官方公布的磷酸鐵鋰動力鋰離子電池的比能量是140wh/kg，三元電池是180wh/kg，而市場的基本要求是300wh/kg以上，實現(xiàn)這個目標(biāo)，估計還要等5年以上的時間。
2)提高充電的方便性。這要以建設(shè)成本的經(jīng)濟性為代價。綜合思考，要在10分鐘以內(nèi)完成充電(電能補給)，目前技術(shù)上已經(jīng)成熟的，但是經(jīng)濟上太不劃算，重要是充電樁布局要充分、全面，供電功率要滿足要。國家電網(wǎng)在高速公路上予以全面推進。如濟南到青島的高速公路上，開純電動汽車可以安全、按計劃節(jié)點到達目的地，已經(jīng)沒有問題。
3)車輛結(jié)構(gòu)上輕量化。這是一個漫長的過程，要顛覆傳統(tǒng)車輛設(shè)計理論及生產(chǎn)工藝。輕量幅度比傳統(tǒng)車也要輕到40%以上，其經(jīng)濟性才會有明顯效果。客車廠家都在積極推進。如揚子江汽車集團公司的純公交車的輕量化目標(biāo)是超過50%。
4)慢充快補模式已經(jīng)得到全國公交公司大部分領(lǐng)導(dǎo)接受。如揚子江汽車集團的“在線充純電動公交車”是一個典型成功案例。公交公司推進純電動公交車已經(jīng)沒有“運營里程擔(dān)憂”的煩惱。
(二)動力鋰離子電池不燃燒、不爆炸的解決辦法
1)要對目前的動力鋰離子電池機理進行創(chuàng)新。動力鋰離子電池廠家都已經(jīng)在開展這方面研發(fā)的工作，也有一些廠家已經(jīng)取得一定實際成果。如淄博國利新電源科技公司生產(chǎn)的鎳氫電池。
2)不爆炸是純電動汽車的底線。即使在機理上做不到不燃燒，電池廠家和整車廠家，必須保障動力鋰離子電池不爆炸是基本要求，目前的技術(shù)和管理水平上是可以做到的，方法也是比較多的。我國目前純電動汽車是安全的，也是基于目前的技術(shù)和管理水平上理解的，實際情況也是如此。幾個事故案例的發(fā)生，假如措施到位，是完全可以防止的。
(三)低溫下，動力鋰離子電池能正常充放電的解決辦法
1)低溫是指零下(-200C以下)環(huán)境溫度。目前磷酸鐵鋰系的動力鋰離子電池一般在零下(-100C以下)能正常充放電已經(jīng)是水平很高了，尤其充電更是困難。不少廠家想從工藝進行優(yōu)化，從機理上提升空間不大，實際效果也不明顯。
2)PACK廠家采用外部加熱技術(shù)，邏輯上令人很難理解，其效果也不佳。車輛是高速、長距離移動的運輸工具，加熱能量如何從外部取得?
3)整車廠想在動力鋰離子電池以外再加一套燃油裝置，來給純電動汽車的車載動力鋰離子電池系統(tǒng)加熱。給人印象是，純外行的處理方法，沒有一定技術(shù)含量。
三、超低溫(-40℃)動力鋰離子電池基本特性介紹
石總研發(fā)的電池是鎳氫電池，在鎳氫動力鋰離子電池基礎(chǔ)上通過配方工藝結(jié)構(gòu)改進，使之兼具超級電容器及鎳氫電池雙重特性，稱之為電容型鎳氫動力鋰離子電池，簡稱電容電池。由于其具有較好的低溫特性，又稱為超低溫(-40℃)動力鋰離子電池。
目前此單體比能量是60，成組后的比能量是50，而磷酸鐵鋰離子電池單體比能量是140，而成組后的比能量是100。其電池基本結(jié)構(gòu)原理示意圖(見圖1)：
1)電池組成。正極重要材料采用氧化鎳，負極重要采用儲氫材料(鑭鈰稀土材料)，在配方中新增了超級電容材料，采用特殊濕法涂布極板表面修飾，加強了集流體導(dǎo)電，不銹鋼殼體，添加了水基電解液(氫氧化鉀水溶液)。
2)安全性原理。采用水基電解液(氫氧化鉀水溶液)，電解液本身不著火不爆炸。電池各部件中沒有易燃易爆材料，并有電解液浸潤，也不會著火爆炸。殼體采用不銹鋼，不但不燃燒，還可承受2兆帕壓力。即使是在極端條件下，比如電池內(nèi)部短路，也不會出現(xiàn)著火爆炸危險，該電池本質(zhì)是安全的。3)快速充電原理。該電池采用堿性水劑電解液，氫離子體積非常小，導(dǎo)電十分順暢;各元器件采用低內(nèi)阻設(shè)計;新增了超級電容材料，加強了物理儲存電荷能力，延遲和減小了極板極化，降低了電池內(nèi)阻，保障了快速充電。比如200Ah電池內(nèi)阻只有0.4毫歐。
4)低溫特性。廠家精心電解液配方政策下，零下50℃水基電解液不結(jié)冰，保障了氫離子的正常導(dǎo)電;各元器件采用低內(nèi)阻設(shè)計;新增超級電容材料，加強了物理儲存電荷能力，延遲和減小了極板極化，保障了有較好的低溫特性。
四、鎳氫電池市場應(yīng)用分析
上面對此電池機理進行了解剖，其優(yōu)點較為明顯。動力鋰離子電池的比功率與比能量這個指標(biāo)是相互矛盾的。此電池偏于比功率型即電容型。相對純電動汽車而言，比能量高是要追求的指標(biāo)。但是此電池超低溫(-400C)特性特別優(yōu)秀，對我國北方地區(qū)冬季純電動公交車基本不能用的瓶頸，筆者理解如下：
1)此電池在我國南方地區(qū)，基本沒有市場，理由是目前比能量低了一些，而磷酸鐵鋰系的動力鋰離子電池快充技術(shù)也有明顯進步;
2)重要車型是公交車、混合動的乘用車及部分通勤客車車;
3)鎳氫與稀土關(guān)系決定了此電池會有大的發(fā)展趨勢。我國稀土資源豐富，鎳氫成本下降空間還是相當(dāng)大的。
4)在我國，鎳氫電池與磷酸鐵鋰系的動力鋰離子電池會平分市場，磷酸鐵鋰重要市場在我國南方，而鎳氫電池重要市場在北方。
五、超低溫(-40℃)動力鋰離子電池研發(fā)成功的意義
1)對發(fā)展純電動汽車的質(zhì)疑的回答有好處。磷酸鐵鋰系的動力鋰離子電池在北方地方不能用，對純電動汽車發(fā)展路線的質(zhì)疑是有道理的。有了超低溫(-40℃)動力鋰離子電池，對發(fā)展純電動公交車而言，信心更足。
2)有了超低溫(-40℃)動力鋰離子電池，我國北方城市發(fā)展新能源汽車步伐會明顯加快。以上介紹資料表明，其安全性從機理有保障，有望能徹底回復(fù)人們的質(zhì)疑;
3)以上介紹資料表明，其快充功能，對公交車而言，運營里程完全能確保。我國無論是北方還是南方地區(qū)，純電動化推進步伐會明顯加快。
4)超低溫(-40℃)動力鋰離子電池研發(fā)成功，對客車公司是一個利好信息。同時該電池含有30%的鎳和10%的稀土，均可回收再利用。該電池采用高含量的鑭鈰儲氫材料，一輛12米純電動公交大約要1噸稀土材料，為鑭鈰找到了新的用途。
(作者：湖北省汽車工程學(xué)會研究員雷洪鈞)
