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未來全固態(tài)電池需要冷卻嗎

鉅大LARGE  |  點擊量:639次  |  2019年04月17日  

鋰離子電池,通過一定數(shù)量串并組合,裝配在汽車上,成為動力電源的那一刻,高成本、大體積、高質(zhì)量、溫度適應(yīng)敏感、熱失控安全等問題,就一直困擾著我們。


而全固態(tài)電池由于能提供更好的安全、更大的容量、更快的充電,被公認(rèn)是下一代電池技術(shù)路線的發(fā)展方向,也成了各大電池產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)的必爭之地:


韓國的三大電池巨頭聯(lián)手;日本23家車企、電池、材料公司、科研院校單位聯(lián)合;歐美國家相繼發(fā)布研發(fā)規(guī)劃;德國大眾豪擲1億美元投資電池技術(shù)公司——他們紛紛瞄準(zhǔn)并積極布局固態(tài)電池,并且加速核心技術(shù)攻克走向商業(yè)化,都是想在未來動力電池市場竟?fàn)幹袚尩孟葯C(jī)。


豐田提出全固態(tài)電池不需要冷卻


前期,豐田在各種不同場合,多次闡述其研發(fā)的全固態(tài)電池特點,除了重要的高安全特性,還解決和滿足了長續(xù)駛里程需求,快充電特性,同時,還不需要冷卻,體積可以縮減一半。(下圖為目前應(yīng)用典型的電池系統(tǒng)冷卻板體積)

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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%

在早期,豐田執(zhí)行副總裁勒羅伊(Didier Leroy)這樣描述,豐田在固態(tài)電池技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)方面處于領(lǐng)先地位,可以讓電池更安全,體積變的更小。


“Executive Vice President Didier Leroy believes Toyota is the leader in solid-state battery technology in terms of intellectual property. He sees them as a "game-changer" with the potential to dramatically improve driving range.


Leroy said:Toyota's solid-state batteries are based on lithium ion technology but can operate at a higher temperature than current lithium ion batteries. They do not require cooling and thus are much smaller.”


讓我們掀開全固態(tài)電池關(guān)鍵指標(biāo)一角,探究一下這些特點的生成原因。


全固態(tài)電池耐熱特性、低溫特性、倍率特性突出

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IP67防水,充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

來自Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA “All-Solid-State Lithium Batteries with Wide Operating Temperature RangeMitsuyasu”對基于硫化物全固態(tài)電池做的幾項測試(主要針對小容量電池的測試):


高溫耐受性測試:電池在高溫170℃規(guī)定的充放電(The test conditions were a constant current of 0.3 mA charge/discharge, charged to 0.3 mAh, and discharged to 3.0 V)、循環(huán)條件下,可以觀察到,容量在高溫下,非常穩(wěn)定,變化很小,也就是說,副反應(yīng)并沒有顯著的增加。


低溫耐受性測試:電池在低溫-40℃規(guī)定的充放電(The test conditions were a constant current of 0.02 mA, charged to 0.02 mAh, and discharged to 3.0 V)、循環(huán)(試驗條件為恒流0.02 mA,充至0.02 mAh,放電至3.0 V)條件下,可以觀察到,容量因低溫影響,也是非常小的,仍然有很穩(wěn)定的放出和充入。


放電倍率特性:常溫下,在24C高倍率下放電,容量為低速率0.5C下的89%,說明該電池具有優(yōu)良的功率特性。


上述測試條件,相比現(xiàn)在的商業(yè)化動力電池確實還有很大的局限性和差距,但是固態(tài)電池從娘胎里帶來的優(yōu)點還是非常明顯的,在如此高的溫度條件,表現(xiàn)如此穩(wěn)定,安全性可見一斑。


對于一般液態(tài)電解質(zhì)電池,其策略保護(hù),高溫>50℃進(jìn)入報警狀態(tài);70℃進(jìn)入熱失控風(fēng)險區(qū)。低溫環(huán)境, <0℃限制充電電流。電池在很窄的15~45℃范圍內(nèi)才能穩(wěn)定的工作。同時,為了保證電池系統(tǒng)的壽命,溫差范圍要求控制在 <5℃。


全固態(tài)電池大大降低了對冷卻系統(tǒng)的依賴


有資料顯示,全固態(tài)電池耐熱性在(80~120℃)、阻燃性(200℃),均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有應(yīng)用的液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。這主要與電解質(zhì)形態(tài)和結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。


全固態(tài)電池使用的固體電解質(zhì),是區(qū)別于液態(tài)有機(jī)電機(jī)解質(zhì)的主要特征材料,現(xiàn)在主要研究的有兩種類型,氧化物和硫化物。目前包括豐田的全固態(tài)電池,主要是基于硫化物類型全固態(tài)電池研究。


早在日本Nissan leaf EV車上,一直延續(xù)著沒有冷卻板,依靠電池殼體自然冷卻產(chǎn)品設(shè)計。


對于EV電池系統(tǒng),主要滿足較低倍率的充放電功率需求,在冷卻方面對熱管理表現(xiàn)的沒有功率型的HEV明顯。但是在低溫環(huán)境,環(huán)境適應(yīng)性是得不到滿足的。所以說,對于全溫度的工況需求,更多的增加了水冷板式的熱管理系統(tǒng)。


這本身也是矛盾的。現(xiàn)有龐大的水冷系統(tǒng),從成本角度,體積方面,都是不利的。


全固態(tài)電池耐熱性溫度范圍放大,安全性得到了保障。削弱了對水冷系統(tǒng)的依賴性。契合了解決成本和體積矛盾的想法。


盡管全固態(tài)電池如此誘人,但是,還不能停止現(xiàn)有熱管理技術(shù)的發(fā)展的腳步。


豐田表示,其全固態(tài)電池仍需10年的發(fā)展才能成熟。


全固態(tài)電池要想全面大批量投入生產(chǎn)和應(yīng)用,還需要很長的一段時間。


豐田表示:“我們將小批量的試產(chǎn)開始,用于試點項目,我們永遠(yuǎn)不會在客戶身上做實驗。2030年,可能是更現(xiàn)實的時間節(jié)點”。下圖是豐田技術(shù)路線規(guī)劃表。


熱管理高效和節(jié)能,需要繼續(xù)探索和研究


從Tesla車型演變案例觀察分析:


Tesla 產(chǎn)品,一直以來引起地球人足夠的好奇。其設(shè)計的精妙也確實堪稱典范。正如Elon Musk 對團(tuán)隊的管理和要求一樣,在他們眼里“沒有做不到的事情”。


在熱管理功能單元組合中,透過產(chǎn)品的演變狀態(tài),可以看出一些端倪。


關(guān)于電池加熱形式的變化,由PTC加熱改變?yōu)槔秒姍C(jī)接通電流零扭矩加熱,其技術(shù)優(yōu)缺點有待于后期進(jìn)一步研究分析,現(xiàn)在還不能量化和說清楚。


其中一點是肯定的,提高熱系統(tǒng)效能的同時,一定是做到了降本。是雙贏的結(jié)果。這種“沒有做不到”的創(chuàng)新精神,值得學(xué)習(xí)。


鉅大鋰電,22年專注鋰電池定制

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