鉅大LARGE | 點擊量：534次 | 2022年08月10日
動力鋰電池技術(shù)發(fā)展大剖析
去年全球范圍發(fā)布禁售燃油車時間表，讓人們意識到新能源車的時代就要來了，而純電動車、插電混動、燃料電池車等等，為什么短短幾年時間就成為未來的主旋律？一方面是全球戰(zhàn)略、政策等方面的支持，另一方面就是動力電池技術(shù)的不斷提升，更長的續(xù)航、更短的充電時間，直接關(guān)乎用戶的通勤需求，才讓新能源車來到我們身邊，將來還會取代傳統(tǒng)燃油車，與大家的日常出行密不可分。于是就有了人們所說的：“新能源車的發(fā)展，就是電池技術(shù)的發(fā)展?！?/p>
鉛酸電池
純電動汽車最早使用的是鉛酸電池，鉛及其氧化物制成作為電極材料，硫酸溶液作為電解液，這是現(xiàn)在大部分電動自行車的動力源，低成本是其最大的優(yōu)勢。不過，因為鉛酸電池的能量密度低，從而帶來了體積大、容量小等問題，無法滿足一臺汽車對于自重的控制、驅(qū)動力的消耗，乃至每年超過1萬公里行程的使用壽命，所以無法大規(guī)模用于量產(chǎn)車上，最終被汽車廠商淘汰。
密封包裝的鉛酸電池組
鎳氫電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
鎳氫電池與我們的日常生活很近，從早期的隨聲聽到現(xiàn)在的充電牙刷等小型電器很常見，正極為鎳氫的化合物，負(fù)極為金屬氫化物，其能量密度、充放電次數(shù)相比鉛酸電池有不小的提升，并且電解液不可燃、安全性有保障，制造工藝成熟，比亞迪在造車之前就是全球第二大的鎳氫電池制造商。
鎳氫電池組
不過，因為鎳氫電池充電效率一般、有充電有記憶效應(yīng)、工作電壓較低（無法使用高壓快充），并不適用于汽車的單一動力源，適合輔助發(fā)動機工作。這方面做得最好的要屬豐田，其混合動力系統(tǒng)采用阿特金森發(fā)動機＋鎳氫電池組，阿特金森發(fā)動機本身具備中間轉(zhuǎn)速區(qū)間高效的優(yōu)勢，卻也有著低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速疲軟的問題，而鎳氫電池正好能夠解決起步與高速動力不足的一大助力。
而從鋰電池廣泛引用之后，鎳氫電池在汽車上也有被完全取代的趨勢，如豐田新一代混動系統(tǒng)就采用了更高效的發(fā)動機＋鋰電池組合。相比鋰電池，鎳氫電池的容量、循環(huán)充電的壽命以及環(huán)保角度都不占優(yōu)勢，成本的優(yōu)勢也在鋰電池大力發(fā)展之下被弱化了，這正是鎳氫電池逐漸退出汽車領(lǐng)域的原因所在。
鋰電池
鋰電池正是現(xiàn)階段新能源車的主流選擇，鋰的化合物（錳酸鋰，磷酸鐵鋰等）作為電極材料，石墨作為負(fù)極材料，其優(yōu)勢在于能量密度高、體積小、重量輕、充電效率高。決定鋰電池類型或者說性能的主要因素，在于電池兩極的材料，其中正極的材料是現(xiàn)階段的關(guān)鍵，如主流的磷酸鐵鋰、三元材料中的鈷酸鋰、鎳鈷錳等，在容量、成本、低溫充放電、安全性等多個維度上存在差異。
通用集團鋰電池組
不過無論任何類型，所有鋰電池組都會面臨低溫這個“天敵”。不同鋰電池類型的最佳工作溫度雖然有一定差異，但低于最佳區(qū)間之后伴隨而來的鋰離子的活性降低，對于續(xù)航里程的影響比較大，這在我們此前的測試中也有所體現(xiàn)：搭載鋰電池組的電動車，北方冬季實際使用中的續(xù)航，普遍只能達到理論續(xù)航的60％多，最多也就70％左右。
騰勢EV400極限里程測試結(jié)果
低溫的負(fù)面影響從電池本身不太好解決，于是眾多汽車廠商想辦法給電池組加溫，增加單獨針對動力電池的控溫系統(tǒng)，采用這種做法的大部分品牌車型都有一定緩解作用，但實際效果還算不上出色的解決問題，因為有一些電動車控溫系統(tǒng)的耗電量，比低溫的損失還要大。
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在這方面可以有所期待的是，通用集團已經(jīng)有意向與韓國LG集團合作，采購直接在電池組內(nèi)部裝備多個溫控元器件的產(chǎn)品，不光能與現(xiàn)在一樣給電池散熱，還能在寒冷天氣提高電池的溫度。這項技術(shù)的落地值得期待，據(jù)悉，通用集團下一輪純電和插電混動的新車就會使用，取代現(xiàn)在日立品牌供應(yīng)的電池組。
氫燃料電池
大家都知道H2＋O2燃燒最終得到的水，所以氫氣是非常理想的清潔能源。就氫氣本身來說，燃燒可以釋放大量的能量、低溫表現(xiàn)上佳，最重要的加氫的效率高，加氫只需5分鐘就能行駛超過600公里，并且這個數(shù)據(jù)還有提升的空間，以上這些都要遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的鋰電池。
關(guān)于氫燃料電池車投入方面，日、韓兩國的車企早就開始了研究，如今已經(jīng)小范圍投入到了各自國家的市場中，如筆者春節(jié)前試駕的現(xiàn)代NEXO氫燃料電池車，已經(jīng)大量用于平昌冬奧會并上市銷售。
現(xiàn)代NEXO氫燃料電池車
而氫氣這么好的能源，為什么不推廣？因為以現(xiàn)在的技術(shù)獲取氫氣太難了。大家都學(xué)過電解水能得到氫氣，但耗費電能去電解水，然后再燒氫氣最終變成水，這個過程的用電量和損失還不如直接給鋰電池充電，成本太高。而成本、工藝都比較合適的是從石油、天然氣里提取，但量并不大，所以燃料電池車“只聞其名、難以推廣”。
石墨烯電池
對于未來新能源車的動力電池討論，最靠譜、討論最多的要屬石墨烯電池了，將一些專業(yè)角度的解讀“翻譯”一下就是：用這種材料結(jié)合鋰電池有兩種使用方法，一是用石墨烯的復(fù)合材料作為鋰電池的導(dǎo)電劑，二是直接用作負(fù)極，效果都是增加鋰電池的活性，從而提升電動車的續(xù)航里程、充電速度。
石墨烯－碳化海綿鋰氧電池
石墨烯電池可以有效解決鋰電池的短板，產(chǎn)品特質(zhì)與新能源車用戶使用直接掛鉤。這種材質(zhì)的好處確實大，而且韓國三星也已經(jīng)對外公布掌握了這項技術(shù)，但成本是一大瓶頸，石墨烯的獲取不太容易，早期是用于航天領(lǐng)域的一種材料，何時、采用什么方式降低成本，將是這項優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品“飛入尋常百姓家”的一大難題，各個汽車廠商都還沒有公布在這方面發(fā)力的計劃。
石墨烯鋰電池效果圖
簡單來說，純電動車的工作原理是“充電直接用電”，氫燃料電池車則是H2＋O2“燒成”（化學(xué)反應(yīng)）電能和水，相當(dāng)于“燒氫”來發(fā)電。兩種“電池”同樣都是零排放，電動車鋰電池能力密度更小、低溫活性差影響續(xù)航，充電速度慢的問題，氫燃料電池完全沒有，而且工作效率要高出不少，這正是氫被稱為優(yōu)質(zhì)能源的原因。
固態(tài)鋰電池
固態(tài)鋰電池顧名思義就是不再使用液態(tài)的電解液，采用固態(tài)電解質(zhì)，其能力密度遠超現(xiàn)在的主流的鋰電池，這意味著純電動車型更高、甚至達到節(jié)能型汽油車的續(xù)航里程，并且充電效率相比現(xiàn)階段也有著質(zhì)的飛躍，據(jù)悉裝備固態(tài)電池的電動車，最理想化的充電速度可達到1分鐘增加800公里，這可以說是新能源車的最佳核心部件。
現(xiàn)階段，一些海外的能源、科技企業(yè)，以及松下等電池制造商都開始了固態(tài)電池的研發(fā)，汽車廠商涉及這方面的只有豐田、本田以及日產(chǎn)三大日系車企，這源于日本國家層面的助推。從已經(jīng)開始研究固態(tài)電池的各方計劃來看，預(yù)計2020年將在成本、能量密度和生產(chǎn)制造方面有突破性進展。到2030年才能將這項研發(fā)成果落地、在新能源車領(lǐng)域廣泛普及，即離我們還有些遠，這也是各大車企發(fā)布2025年全球禁售燃油車的應(yīng)對戰(zhàn)略時，并未提及固態(tài)電池的原因。
眾多車企乃至新造車勢力都發(fā)布了未來的新能源計劃，更多相關(guān)內(nèi)容敬請期待……
總結(jié)
往大了說，環(huán)保似乎全球的一個大方向，電能又是老百姓生活必備的能源，所以以電作為燃料的新能源車最容易實現(xiàn)，過渡最為平滑。從現(xiàn)實的角度來看，2025年禁售燃油車之后，能買到的就只有新能源車了，一款車的電池如何至關(guān)重要，正如本文所說的電池發(fā)展，老的電池類型逐漸成為歷史，新的電池技術(shù)一些還處于概念階段，一些只要攻克技術(shù)、成本等難題，就將來到大家身邊了。
