特斯拉上的電池竟然是這樣！主流電動車上都搭載什么電池？

時間:2018-11-21 14:11來源:理想智造 作者:綜合報道
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　　電池的發展是一個緩慢的過程。考慮到安全、成本和效率，尋找一款能廣泛應用車輛的電池更是難上加難。那么，新能源車上的這些電池的材料和原理又是怎么一回事？
 
　　■ 六類鋰電池
 
　　目前鋰離子電池主要是按照正極材料的不同來分類，因為負極材料對電池能量密度的影響不大，業界主要通過不斷改進正極材料來努力提升電池的性能。
 
　　市面上最早有六類電池材料：鈦酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳和鎳鈷鋁。
 
　　鈦酸鋰是作為負極材料是用的鋰電池，受制于材料限制，能量密度很低，基本限制了它的發展。鈷酸鋰因為能量密度相對較高，可壽命和耐高溫性能較差，被廣泛應用在手機等數碼設備當中。錳酸鋰成本低而且穩定，但能量密度也比較低。在電動車發展初期，也有廠商使用了鈷酸鋰和錳酸鋰這兩類鋰電池，有一些混合動力車型至今仍在使用，但目前行業發展趨勢已經很明朗了，這兩款電池逐漸被綜合性能更好的磷酸鐵鋰與三元鋰電池所取代。
 
　　綜合起來，目前廣泛應用于電動車行業的主要有兩類電池材料——磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。
 
　　不同電池材料會賦予電池不同特性，今天我們就跟大家講講這兩類主流電池材料和他們的優劣點及應用車型。在開篇之前，我們依舊強調：技術并沒有好壞或者優劣之分，技術的運用適用于不同的產品或者環境，而不是技術A的出現會把技術B淘汰。
 
　　■ 什么是磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池？
 
　　磷酸鐵鋰電池(LFP)：用磷酸鐵鋰作正極材料的鋰離子電池。
 
　　三元鋰電池：使用鎳鈷錳(NCM)或者鎳鈷鋁(NCA)材料做正極材料的三元復合物鋰電池，是未來消費級電動車使用大趨勢。
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　　▲ 美國市場研究機構“Grand view research”對不同材料電池的美國市場預測曲線。
 
　　同樣都是鋰電池，為什么兩類電池的使用場景會有區別？接下來我們就跟大家聊聊這兩種電池的不同特性。
 
　　■ 材料決定性能
 
　　電池能量密度：三元鋰電池>磷酸鐵鋰電池
 
　　電動車的動力來自電池的充放電，電池性能的關鍵是能量密度，也就是單位電池質量中儲存能量的大小(單位瓦時/千克)。電動車擁有高的能量密度，代表能提供更多的動力，俗稱“勁兒大”。
 
　　受制于化學特性，磷酸鐵鋰電池的電壓平臺低，磷酸鐵鋰電池的能量密度基本維持在140瓦時/千克左右。而三元鋰電池電壓高，能量密度基本為240瓦時/千克。也就是說，在相同電池重量下，三元鋰的能量密度是磷酸鐵鋰材料能量密度的1.7倍。
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　　上圖為海外研究機構調研關于市場上平均能量密度的曲線圖。NCM(鎳鈷錳)和NCA(鎳鈷鋁)同為三元鋰電池，但能量密度也不一樣，可以看到三元鋰電池能量密度明顯高于磷酸鐵鋰電池。
 
　　不同廠家會研發不同“配方”的三元鋰電池(鎳、鈷、錳三者不同比例)，特斯拉Model3使用的21700 NCA三元鋰電池電芯的能量密度高達260瓦時/千克，是目前的量產電動車里最高的，它的鎳鈷鋁比例為8:1.5:0.5，屬于“高鎳電池”。
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▲ Tesla的柱狀三元鋰電池
 
　　但是高鎳電池由于能量密度過高，在安全上存在較大隱患。為了降低電池危險，會選擇采用鎳鈷鋁比例5：2：3的NCM三元鋰電池。雖然電池能量密度相較NCA略低，但整個NCM電池技術和安全卻能有效把控。
 
　　電動車的動力來自電池的充放電，電池性能的關鍵是能量密度，也就是單位電池質量中儲存能量的大小(單位瓦時/千克)。電動車擁有高的能量密度，代表能提供更多的動力，俗稱“勁兒大”。
 
　　受制于化學特性，磷酸鐵鋰電池的電壓平臺低，磷酸鐵鋰電池的能量密度基本維持在140瓦時/千克左右。而三元鋰電池電壓高，能量密度基本為240瓦時/千克。也就是說，在相同電池重量下，三元鋰的能量密度是磷酸鐵鋰材料能量密度的1.7倍。
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▲ 為了便于理解，我們用表格體現NCM與NCA不同電池材料的能量密度
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▲ 理想智造ONE使用的是方殼形NCM電池
 
　　安全性：磷酸鐵鋰電池>三元鋰電池
 
　　磷酸鐵鋰的化學鍵穩定，電熱峰值大于350℃，高溫下不易分解(可以堅持到700℃以上)，三元鋰電池熱穩定性較差，300℃下容易分解，容易出現電池損壞。所以在高溫條件，磷酸鐵鋰的安全性相對較高。以三元鋰電池為動力的車型需要防過溫保護裝置的電池和電池管理系統來保護電池的安全。
 
　　使用壽命：磷酸鐵鋰電池>三元鋰電池
 
　　考察電池壽命就是考察電池在多次完全充放電后的電量衰減，一般電動車電池充滿后衰減到原有80%電量就代表電池該換了。
 
　　磷酸鐵鋰電池的完全充放電循環次數>3500次后電量才會衰減到原有標定的80%。也就是說如果每天充放電一次，磷酸鐵鋰電池近10年才出現明顯衰減現象。
 
　　三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池壽命低一些，完全充放電循環大于2000次會出現衰減現象，也就是6年的時間，需要電池管理和車輛電控系統來延長電池壽命。目前電動車上的三元鋰電池基本上能保證8年以上才會出現明顯衰減。
 
　　小知識：未用光電池的前提下，電動車慢充電其實是有助于延長電池壽命的，所以不要怕老充電對電池不好。
 
　　低溫性能：三元鋰電池>磷酸鐵鋰電池
 
　　還是由于電池的化學材料，電動車的冬季里程衰減是困擾電動車普及的大問題。目前世界上所有的電動車在冬天都會出現不同程度的里程衰減。
 
　　磷酸鐵鋰電池的低溫溫度使用下限值(-20℃)，且低溫環境下放電性能差，冬季時里程衰減嚴重(將近40%)。三元鋰電池低溫溫度使用下限值(-30℃)，低溫放電性能好，與磷酸鐵鋰電池相同低溫條件下，冬季時里程衰減不到15%，明顯高于磷酸鐵鋰電池。
 
　　為了避免出現明顯的里程衰減現象，車輛需要用熱管理來保證電動車冬季性能，這點我們會單做文章跟大家仔細聊聊。
 
　　成本：三元鋰>磷酸鐵鋰
 
　　由于磷酸鐵鋰電池中沒有貴重金屬(鎳鈷金屬元素)，所以在生產成本上較低。
 
　　如上文所說，三元鋰電池使用了鎳鈷錳多種礦材料，并且高鎳電池的生產需要比較嚴格的工藝環境，目前成本比較高。
 
　　■ 電池性能決定使用場景
 
　　正是磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的不同特性，各自被廣泛應用于不同使用場景的電動車中。
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　　▲ 三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池特性雷達圖
 
　　日常乘用電動車：動力需求高，電池布局緊湊，冬季性能需求高，使用壽命短(6-8年換車周期)。
 
　　大型公交車，社會作業車，經濟性車：動力需求低，充分的電池布局空間，使用壽命長(10年以上使用周期)。
 
　　綜上，沒有絕對優秀的電池材料，按照性能尋找適合使用的場景。三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池各有長短。按照需求來看，三元鋰電池更適合搭載車型更小，強調動力的日常乘用車，但需要加強電池和電控系統的管理，磷酸鐵鋰電池更適合搭載于對電池布局要求低，使用壽命長的公共通勤工具和社會用車上。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池 特斯拉
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