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新能源车为何快速崛起?动力电池技术发展大剖析

    


    去年全球范围发布禁售?#21152;?#36710;时间表,让人?#19988;?#35782;到新能源车的时代就要来了,而纯电动车、插电混动、燃?#31995;?#27744;车等等,为什么短短几年时间就成为未来的主旋律?一方面是全球战略、政策等方面的支持,另一方面就是动力电池技术的不断提升,更长的续航、更短的充电时间,直接关乎用户的通勤需求,才让新能源车来到我们身边,将来还?#23835;?#20195;传统?#21152;?#36710;,与大?#19994;?#26085;常出行密不可分。于是就有了人们所说的:“ 新能源车的发展,就是电池技术的发展。”


铅酸电池


   纯电动汽车最早使用的是铅酸电池,铅及其氧化物制成作为电极材料,硫?#23835;?#28082;作为电解液,这是现在大部分电动自行车的动力源,低成本是其最大的优势。不过,因为铅酸电池的能量密度低,从而带来了体积大、容量小等问题,无法满足一台汽车对于自重的控制、驱动力的消耗,乃至每年超过 1 万公里行程的使用寿命,所以无法大规模用于量产车上,最终被汽车厂商淘汰。


镍氢电池


镍氢电池与我们的日常生活很近,从早期的随声听到现在的充电牙刷等小型电器很常见,正极为镍氢的化合物,负极为金属氢化物,其能量密度、充放电?#38382;?#30456;比铅酸电池有不小的提升,并?#19994;?#35299;液不可燃、安全性有保障,制造工艺成熟,比亚迪在造车之前就是全球第二大的镍氢电池制造商。


不过,因为镍氢电池充电效率一般、有充电有?#19988;?#25928;应、工作电压?#31995;?无法使用高压快充),并不适用于汽车的单一动力源,适合辅助发动机工作。这方面做得最好的要属丰田,其混合动力系统采用阿特金森发动机 + 镍氢电池组,阿特金森发动机本身具备中间转速区间高效的优势,却也有着低转速和高转速疲软的问题,而镍氢电池正好能够解决起?#25509;?#39640;速动力不足的一大助力。


而从锂电池广泛引用之后,镍氢电池在汽车上也有被完全取代的趋势,如丰田新一代混动系统就采用了更高效的发动机 + 锂电池组合。相比锂电池,镍氢电池的容量、循环充电的寿命以及环保角度都不?#21152;?#21183;,成本的优势也在锂电池大力发展之下被弱化了,这正是镍氢电池逐渐退出汽车领域的原因所在。


锂电池


锂电池正是现阶段新能源车的主流选择,锂的化合物(锰酸锂,磷酸铁锂等)作为电极材料,石墨作为负极材料,其优势在于能量密度高、体积小、重量轻、充电效率高。决定锂电池类型或者说性能的主要因素,在于电池两极的材料,其中正极的材料是现阶段的关键,如主流的磷酸铁锂、三元材料中的钴酸锂、镍钴锰等,在容量、成本、低温充放电、安全性等多个维度上存在差异。


不过无论任何类型,所有锂电池组都会面临低温这个 “ 天敌 ”。不同锂电池类型的最佳工作温度虽然有一定差异,但低于最?#20122;?#38388;之后伴随而来的锂离子的活性降低,对于续航里程的影响比较大,这在我们此前的测试中也有所体现:搭载锂电池组的电动车,北方冬季实际使用中的续航,普遍只能达到理论续航的 60% 多,最多也就 70% 左右。


低温的?#22909;?#24433;响从电池本身不太好解决,于是众多汽车厂商想办法给电池组加温,增加单独针对动力电池的控温系统,采用这种做法的大部?#21046;放?#36710;型都有一定?#33322;?#20316;用,但实际效果还算不上出色的解决问题,因为有一些电动车控温系统的耗电量,比低温的损失还要大。


在这方面可以有所期待的是,通用集团已经有意向与韩国 LG 集团合作,采购直接在电池组内部装备多个温控元器件的产品,不光能与现在一样给电池散热,还能在寒冷天气提高电池的温度。这项技术的落地值得期待,据悉,通用集团下一轮纯电和插电混动的新车就会使用,取代现在日立品牌供应的电池组。


氢燃?#31995;?#27744;


大家都知道 H2+O2 燃烧最终得到的水,所以氢气是非常理想的清洁能源。就氢气本身来说,燃烧可以释放大量的能量、低温表现上佳,最重要的加氢的效率高,加氢只需 5 分钟就能行驶超过 600 公里,并且这个数据还有提升的空间,以上这些都要?#23545;?#20248;于现有的锂电池。


关于氢燃?#31995;?#27744;车投入方面,日、韩两国的车企早就开始?#25628;?#31350;,如今已经小范围投入到了各自国?#19994;?#24066;场中,如?#25910;嘰航?#21069;试驾的现代 NEXO 氢燃?#31995;?#27744;车,已经大量用于平昌冬奥会并上市销售。


新能源车为何快速崛起?动力电池技术发展大剖析


而氢气这么好的能源,为什么不推广?因为以现在的技术获取氢气太难了。大家都学过电解水能得到氢气,但耗费电能去电解水,然后再烧氢气最终变成水,这个过程的用电量和损失还不如直接给锂电池充电,成本太高。而成本、工艺都比较合适的是从石油、天然气里提取,但量并不大,所以燃?#31995;?#27744;车 “ 只闻其名、难以推广 ”。


石墨烯电池


对于未来新能源车的动力电池讨论,最?#31185;住?#35752;论最多的要属石墨烯电池了,将一些专业角度的解读 “ 翻译 ” 一下就是:用这种材料结合锂电池有两种使用方法,一是用石墨烯的复合材料作为锂电池的导电剂,二是直接用作负极,效果都是增加锂电池的活性,从而提升电动车的续航里程、充电速度。


新能源车为何快速崛起?动力电池技术发展大剖析


石墨烯 - 碳化海绵锂氧电池


石墨烯电池可以有效解决锂电池的短板,产品特质与新能源车用户使用直接挂?#22330;?#36825;种材质的好处确实大,而且韩国三?#19988;?#24050;经对外公布掌握了这项技术,但成本是一大瓶?#20445;?#30707;墨烯的获取不太容易,早期是用于航天领域的一种材料,何时、采用什么方式降低成本,将是这项优质产品 “ 飞入寻常百姓家 ” 的一大难题,各个汽车厂商都还没有公布在这方面发力的计划。


简单来说,纯电动车的工作原理是 “ 充电直接用电 ?#20445;?#27682;燃?#31995;?#27744;车则是 H2+O2 “ 烧成 ”(化学?#20174;?电能和水,相当于 “ 烧氢 ” 来发电。两种 “ 电池 ” 同样都是零排放,电动车锂电池能力密度更小、低温活性差影响续航,充电速度慢的问题,氢燃?#31995;?#27744;完全没有,而且工作效率要高出不少,这正是氢被称为优质能源的原因。


固态锂电池


固态锂电池顾名?#23478;?#23601;是不再使用液态的电解液,采用固态电解质,其能力密度远超现在的主流的锂电池,这意味着纯电动车型更高、甚至达到节能型汽油车的续航里程,并?#39029;?#30005;效率相比现阶?#25105;?#26377;着质的飞跃,据悉装备固态电池的电动车,最理想化的充电速度可达到 1 分钟增加 800 公里,这可以说是新能源车的最佳核心部件。


现阶段,一些海外的能源、科?#35745;?#19994;,以及?#19978;?#31561;电池制造商都开始了固态电池的研发,汽车厂商涉及这方面的只有丰田、本田以及日产三大日系车企,这源于日本国家层面的助推。从已经开?#20339;?#31350;固态电池的各方计划来看,预计 2020 年将在成本、能量密度和生产制造方面有突破性进展。到 2030 年才能将这项研发成果落地、在新能源车领域广泛普及,即离我们还有些远,这也是各大车企发布 2025 年全球禁售?#21152;?#36710;的应对战略时,并未提及固态电池的原因。


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