只要是对如今新能源汽车有一定了解的人都知道,目前电动车技术发展最大的壁垒,就在于电池技术难以取得突破……

由于电池的制造成本高居不下,大部分电动车的续航里程都无法在有限的成本里获得大的提高,使得它的应用范围大大受限,相比传统的燃油车竞争力也大打折扣,各国政府不得不花大力气补贴新能源车。

所以电池对于新能源车的重要性,几乎等同于发动机、变速箱对于传统燃油车的重要性。这一次,我们就尽可能通俗易懂地带大家认识下目前的车用电池。

讨论新能源车的电池,我们会关心些什么?

如果你身处在一个限购的一线城市,我想你十有八九会去考虑买一台新能源车,甚至是纯电动车。而由于一台电动车的每公里耗费成本,一般也就只有同等尺寸汽油车的十分之一左右,所以耗电量基本不会成为你的首要考虑因素。并且电动车大多有着强悍的加速能力,在市区通勤也不需要跑很快,所以功率、扭矩也不是最重要的。但是大部分人买车除了用于日常代步通勤之外,有时候还要跑一些中长途的路程,这时候单次充电的续航里程就成为了非常重要的掣肘了。

想要续航里程足够长,肯定就要优先考虑配尽可能大容量的电池,然而电池本身是有体积的,车上放电池的空间也是有限的。所以对于车载电池来说,最重要的性能参数,无疑就是能量密度。另外,可以承受的充放电的功率、电压、效率、使用寿命等也是非常重要的考虑因素。

能量密度的衡量方式分为两种,一种是体积能量密度(Wh/L),另一种是质量能量密度(Wh/kg)。另外,由于一台电动车使用的电池,往往是由许多个电芯通过串并联组成的电池包或者电池组,通过电池管理系统(BMS)来进行集中管理,有着转化的效率之分。所以单体电芯的能量密度和整个电池系统的能量密度会被单独讨论。

为了满足总布置的需求,大部分车厂都会选择采购供应商的电芯,自行设计、封装电池系统。

电池有多少种?

相信很多人都听过特斯拉的锂电池,或者比亚迪的铁电池,其实它们都不过是这类新能源车电池当中的一种。电池的分类可以说是五花八门,从结构上看,新能源车采用的电芯,基本可以划分为三种:方壳电池(Prismatic),软包电池(Pouch)和圆柱电池(Cylindrical)。

但如果按照材料构成的划分的话,电芯的分类就复杂多了,一般按照正负极的材料来区分,包括铅酸电池、镍氢电池、锂电池等,甚至还有锌空气电池、超级电容器等一些不太主流的电池。其中,铅酸电池实际上就是目前很多传统汽车在用的蓄电池,由于成本相对比较低,目前还会应用在一些低速电动车上,不过它已经过时了。

当前最普遍的,就是镍氢电池和锂电池。

镍氢电池全称是金属氢化物镍电池,有方形的也有圆柱形的,因为正极采用镍氢化物、负极采用储氢合金,并采用氢氧化钾为电解质而得名。它一般用于常规的混合动力车,目前丰田系的凯美瑞双擎、卡罗拉/雷凌双擎等用的就是这种镍氢电池。

而锂电池则是当下新能源车的主流了。实际上它应该称之为锂离子电池,正极采用的材料不是单纯的锂,而是锂的化合物,对电芯的能量密度影响比较大。而负极材料大多是可以嵌入锂离子的碳材料,目前大多数用的是石墨,未来有可能会采用硅碳材料。而电解质采用的是有机物。它同样可以分为方形和圆柱形的封装形式。电芯的结构和原材料组成的不同,对电芯的能量密度都有比较大的影响。

新能源车的主力——锂电池

曾经,锂电池多以锰酸锂、磷酸锂、钴酸锂等二元化合物为主。如今主流已经发展到了采用三元锂化合物了,也就是所谓的三元锂电池。三洋、松下、索尼、LG、三星等世界上主流的电芯厂商,都已经推出了自己的三元锂电池。

当下主流的三元锂电池,包括磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)等类型。比亚迪对外宣传的铁电池当中,就包含了磷酸铁锂电池(LFP),虽然它的安全性比较高、价格便宜,但是储能密度是三元锂电池中最低的,只有135Wh/kg左右的水平,大多用在客车上,基本没什么发展前途了。

当前各大厂商的主要热点,都在镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两种上。

比亚迪E6采用的是磷酸铁锂电池(LFP)

镍钴锰(NCM)锂电池由于稳定性高、成本相对较低,成为了大多数传统汽车厂商的首选。根据三种元素之间的比例,镍钴锰(NCM)锂电池可以分为111 / 523 / 622 / 811等多种类型。镍的含量越高,电芯的比容量就越高,能量密度也就越大,同时昂贵的钴的比例也会相应降低,带动电芯成本下降,这也是高镍电芯发展趋势的重要原因。显然,811是当中镍比例最高的,能量密度可以达到200Wh/kg以上的水平,目前各大厂商都在争相采用,但是镍的比例已经很难再大幅提升了。

雪佛兰Bolt EV的电池组,采用镍钴锰(NCM)锂电芯

而特斯拉上用的松下圆柱电芯,就是镍钴铝(NCA),和笔记本电脑所用的电池类型一样。镍钴铝(NCA)锂电池拥有比镍钴锰(NCM)更高的能量密度,但是稳定性和成本方面目前还不如镍钴锰(NCM)。MODEL S上用的是圆柱形18650电芯,这也是了解特斯拉的人听过最多的,能量密度大概在 250 Wh/kg左右。特斯拉目前最新的车型MODEL 3,已经往同为圆柱形的2170电芯过渡,电芯的能量密度能达到 300 Wh/kg 。

硅碳负极的应用也是提升能量密度的一个重要手段,而特斯拉则是目前第一家成功应用硅碳负极材料的汽车厂商。

Tesla Model S的拆解电池包,采用镍钴铝(NCA)锂电芯

电池组的封装

车用的电池组因为电容量巨大、所需的驱动电压很高,所以形式上都是由大量的电芯通过串并联的方式连接在一起后封装的电池包。不同的电芯形状、容量、工作环境等要求,以及整车留给电池包的布置空间、底盘高度、冷却条件等限制,都会对电池组的最终封装形式产生重要的影响。所以同类型的电芯才会有不同形状,来满足汽车厂商提出的布置要求。

A123的动力电池箱爆炸图

一般来说,电池组里的电芯会分为多个模组,模组内的每个电芯之间隔有冷却片,一般通过焊接的方式连接引脚,再用绝缘海绵和框架将整个模组打包,最后根据实车的布置空间来安放不同的模组,外部再加一个保护壳封装,就大概形成一个整车的电池组了。当然,电池组内部还会有专门的电池管理系统,通过内置的温度传感器、电压检测线路等方式,根据温度、电压等调控电池组的运行,保证电池组的安全、延长使用寿命。

总结:

可以预见的是,无论是单体电芯还是电池组,能量密度都在不断提升,电池成本也在快速下降。因此,未来新型电动车的续航里程还会不断增加,价格也将会不断下降,直到对燃油车形成强大的、正真的压力为止。

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