鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:3300次 | 2019年02月16日
特斯拉為什么采用松下18650鋰電池?
作為在一個(gè)研究所工作的工程師狗,終于有機(jī)會(huì)在自己的領(lǐng)域說(shuō)幾句了。
首先糾正一個(gè)概念,“鋰電”是我們一般說(shuō)的“鋰離子電池”的簡(jiǎn)稱(chēng),而有些人說(shuō)的“鐵電”,其實(shí)是使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池,它是“鋰電”的一種。
特斯拉為什么使用松下18650鋰電池?
OK,現(xiàn)在開(kāi)始回答,先說(shuō)簡(jiǎn)單版通俗型摘要:
特斯拉使用的松下18650鋰電池,以NCA為正極,并且設(shè)計(jì)了復(fù)雜的電池管理系統(tǒng),從而盡可能保證和提高了電池工作的高效性與安全性。至于是否絕對(duì)的安全,這個(gè)無(wú)法回答,你如果想說(shuō)自燃,我還想說(shuō)汽油車(chē)夏天也自燃呢。
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%
對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)(不考慮插電混動(dòng)以及純混,人家可以靠汽油開(kāi)掛),我們最最糾結(jié)的是什么?里程焦慮,就是開(kāi)不遠(yuǎn),因?yàn)殡姵氐哪艽鎯?chǔ)的能量密度太低,車(chē)用電池成組后現(xiàn)在一般也就100~150Wh/kg的能量密度,汽油的這個(gè)數(shù)值大概是10000……所以哪怕你像烏龜一樣背一車(chē)電池都不見(jiàn)得解決問(wèn)題。大家天天吐槽電動(dòng)汽車(chē)天天充電跑不遠(yuǎn)半路沒(méi)電了怎么辦,都是能量密度太低給害的。
現(xiàn)在電池技術(shù)的最大短板,就是能量密度太低,落后于摩爾定律無(wú)窮遠(yuǎn)……別扯那些鋰空什么的,即使它們能量密度也不夠高,關(guān)鍵是離實(shí)用還遠(yuǎn)……
所以至于為什么不采用磷酸鐵鋰電池,我想說(shuō),主要原因,應(yīng)該是容量(Capacity單位是Ah),以及能量(Energy,即容量的Ah乘以電壓,得到Wh)偏低(磷酸鐵鋰容量比三元低一點(diǎn),電壓還低,只有3.4V,所以乘出來(lái)的能量就更低了)。
實(shí)際的汽車(chē)用電池組都是串并聯(lián)組合出來(lái)的,需要用串聯(lián)來(lái)提高電壓,此時(shí),單節(jié)單池的電壓以及不同電池之間的容量一致性顯得非常重要,光說(shuō)容量低是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>
本人的工作就是在國(guó)內(nèi)某研究所做磷酸鐵鋰的某升級(jí)產(chǎn)品的研發(fā),還同時(shí)亂看一些其它材料,鋰電池和電動(dòng)汽車(chē)的東西,所以在這里答一下。
標(biāo)稱(chēng)電壓:28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
(現(xiàn)在開(kāi)始華麗地半學(xué)術(shù)地展開(kāi)斯米達(dá))
要對(duì)比幾種正極材料,我們就必須引入這個(gè)圖,即五個(gè)重要性能判據(jù):
Power功率,Life壽命,Cost成本,Safety安全,以及Energy能量。
對(duì)比的材料是NMC/NCA三元材料/NCA,LCO鈷酸鋰,LFP磷酸鐵鋰,LMO錳酸鋰。NCA和NCM比較相近,算是材料中的近親,因此在這里歸為一類(lèi)說(shuō)。
LCO=LiCoO2,layered,NMC=LiNixMnyCozO2,layered,NCA=LiNi1-y-zCoyAlzO2,layered,LMO=LiMn2O4spinel,LFP=LiFePO4olivine
從這個(gè)圖中,我們可以看出:
?LFP材料
Energy能量最低(悲劇,容量低是一方面,3.4V的低電壓才是問(wèn)題,反面例子就是鎳錳酸鋰尖晶石,電壓4.7V)。篇幅所限,就不在這里放充放電曲線了。
Power功率一點(diǎn)也不低(在鄙研究所自制的中試級(jí)磷酸鐵鋰,5C可以做到130mAh/g滴(當(dāng)然PHOSTECH的也可以......)。包碳+納米化材料倍率性能還是很強(qiáng)大的!
Life壽命和Safety安全性最優(yōu),這主要得益于該材料中聚陰離子PO43-的結(jié)合作用,使得氧結(jié)合的更好,與電解液的反應(yīng)活性低,不像三元材料那樣更容易出現(xiàn)一些產(chǎn)生氧氣鼓泡等現(xiàn)象。壽命上,一般認(rèn)為可以>4000次循環(huán)。
Cost成本,磷酸鐵鋰還不錯(cuò),成本上僅次于LMO錳酸鋰材料(這個(gè)東西,空氣燒,錳源又便宜),第二有競(jìng)爭(zhēng)力。磷酸鐵鋰的原料,磷鐵鋰都比較便宜,但是做成納米粉需要一些成本,熱處理又要在惰性氣氛下進(jìn)行,種種工藝要求,導(dǎo)致該材料的成本(國(guó)產(chǎn)的大約10W/t)不像LMO那么低(6~7W/t),但是比起NMC(13W/t),LCO(更貴)還是便宜一些的。
原因:鈷比鎳貴(我國(guó)貧鈷啊有沒(méi)有),鎳比錳鐵要貴,用什么原料,有什么成本。
?然后再對(duì)比分析以下NCM/NCA材料
能量最有優(yōu)勢(shì)(電動(dòng)汽車(chē)就想跑遠(yuǎn)點(diǎn),這個(gè)最重要)。此外隨著高鎳NCM材料的研發(fā)推出,這個(gè)材料的能量密度還能有進(jìn)一步的提升
功率還可以(其實(shí)也夠用了,對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē),能量比功率特性更為重要,對(duì)于豐田Prius這種混動(dòng)車(chē),功率特性才更重要,但前提是能量不能太挫)
壽命,也不錯(cuò)。之前的時(shí)候,三元材料可能壽命在1000次左右,但是近幾年來(lái)隨研發(fā)工作的進(jìn)展,該材料的壽命已經(jīng)可以達(dá)到2000周(好像標(biāo)準(zhǔn)是還能保持80%還是多少,記不清了),這就已經(jīng)很可觀了,比如你電動(dòng)汽車(chē),一天一充,一年365次,2000次夠你6年了,好多人這時(shí)都打算換車(chē)?yán)病?/p>
成本有點(diǎn)高(先承認(rèn)這點(diǎn))。
畢竟用了些鎳鈷金屬,成本高點(diǎn)正常,但是這個(gè)材料至少比LCO鈷酸鋰便宜,所以以后在日常電子消費(fèi)品領(lǐng)域,取代LCO材料還是比較有前途的。
安全差,尤其是相對(duì)于磷酸鐵鋰而言,NCM/NCA材料充電時(shí)會(huì)往外冒氧氣,使用中出事的可能性也高于LFP材料,三元材料電池安全性一直存在一些問(wèn)題。
但是說(shuō)到這里,電池里不只有正極材料,我們還可以通過(guò)電解液成分調(diào)節(jié),隔膜優(yōu)化(陶瓷隔膜神馬)以及優(yōu)化電池控制系統(tǒng)(冷卻,安全防護(hù))來(lái)減輕這個(gè)問(wèn)題。雖然NCM/NCA材料的安全性一直算是個(gè)問(wèn)題,但是還是有提高的空間和解決的辦法的。說(shuō)能完全解決安全問(wèn)題的,我認(rèn)為都是在耍流氓。電池控制系統(tǒng),是盡可能提高安全度,不可能保證100%安全。
哪個(gè)更安全?
所以在此對(duì)比一下這兩個(gè)材料,最重要的能量密度上NCM/NCA完勝,壽命上NCM/NCA不差,安全上NCM/NCA差些,但是不嚴(yán)重,功率不算太重要,兩者都不錯(cuò),成本上NCM/NCA高一點(diǎn)。
?但是在這里注意了:成本上NCM/NCA高,是單位質(zhì)量的成本(rmb/kg)。
考慮到單位質(zhì)量的NCM/NCA能量密度高(Wh/kg),所以折合成單位能量的成本的話(rmb/Wh),NCM/NCA還更有優(yōu)勢(shì)一些,所以從單位材料的成本來(lái)單純計(jì)算,結(jié)果可能是比較有欺騙性的。
說(shuō)到這里,我忍不住要吐槽:你們天天嫌電動(dòng)車(chē)貴,就是因?yàn)殡姵赜玫亩?,就是因?yàn)閱挝荒芰康某杀?rmb/Wh)這個(gè)數(shù)太高,其實(shí)真的很難降啊,我們都快喝西北風(fēng)了啊啊啊啊==
?另外一點(diǎn),就是磷酸鐵鋰放電平臺(tái)太平,不好做電池控制系統(tǒng)啊,NCM/NCA這方面就要好些。
不過(guò)作為一名磷酸鐵鋰研究狗,我也得為我們的材料說(shuō)幾句話:在追求安全性、倍率性的場(chǎng)合,磷酸鐵鋰電池還是有優(yōu)勢(shì)的,尤其是請(qǐng)?zhí)焯斐持妱?dòng)車(chē)、電池不安全的人多為我們磷酸鐵鋰投票。
此外磷酸鐵鋰不需要用鎳鈷這些玩意,對(duì)于國(guó)家資源安全是有所幫助的(好吧,其實(shí)也用不太多,不過(guò)這產(chǎn)業(yè)一旦大了用量也可觀);
還有,磷酸鐵鋰材料畢竟壽命還是最好的,所以在某些要求時(shí)間的場(chǎng)合,它有優(yōu)勢(shì)(比如有的電池便宜,但是壽命可能只是磷酸鐵鋰的一半不到,折合使用時(shí)間后成本就不一樣了,我才不告訴你是LMO呢),大家要學(xué)會(huì)算賬。
在一些能量密度要求不是特別高的場(chǎng)合,磷酸鐵鋰還是有優(yōu)勢(shì)的,比如儲(chǔ)能等新領(lǐng)域。
所以,說(shuō)來(lái)說(shuō)去,為了讓純電動(dòng)汽車(chē)跑的更遠(yuǎn),能量密度更高的電池更受青睞。
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