電池發展到現階段,已經滿足了人們日益增高的需求,朝着更輕更薄能量密度更高的方向發展。電池絕不是一個新鮮的概念,它目前已經有200年的發展曆史,1799年,伏特就無意間發現了電流,制成了世界上第一個電池“伏特電堆”,實際上就是串聯的電池組。
1800年制成的第一個電池
19世紀中期,法國的雷克蘭士發明了碳鋅電池,“幹”性的電池出現了。到1887年,英國人赫勒森發明了最早的幹電池。相對于液體電池而言,幹電池的電解液為糊狀,不會溢漏,便于攜帶,因此獲得了廣泛應用。1890年,愛迪生發明可充電的鐵鎳電池,1910年可充電的鐵鎳電池商業化生産。充電電池的種類越來越豐富,形式也越來越多樣,從最早的鉛蓄電池,鉛晶蓄電池,到鐵鎳蓄電池以及銀鋅蓄電池,發展到鉛酸蓄電池、太陽能電池以及锂電池等等。
《巴黎協議》關于綠色低碳轉型的決議
縱觀電池的發展史,不難發現,很多科學家就是圍繞着各種金屬是否能夠發電,哪一種電池使用起來電量更持久,更方便。随着人們對電池的領域運用得越來越廣,需求越來越高,電池也出現了衆多品類。随着國家對“雙碳”目标的推行,電池應用要求更高,在考慮到續航能力的同時,需要兼顧考慮到綠色環保,環保這一主題是《巴黎協定》制定的長期目标,将全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以内,碳排放達峰的本質是實現綠色低碳轉型。
要發展也要綠色環保,跟随這一理念,對锂離子電池提出更高要求。目前,锂離子電池的優勢十分明顯:工作電壓高、體積小、質量輕、能量高、無記憶效應、無污染、自放電小、循環壽命長,成為最适用于電動汽車的電池之一。锂離子電池因其優勢明顯,無污染更符合國家對綠色低碳的要求。自1966年通用生産的第一台電動汽車EV1問世,到後來特斯拉使用roster改版電池能續航長達1000KM,人們對電動汽車的追求從未停止,目前,锂電池已經成功并大量運用于電動汽車領域。磷酸鐵锂電池因其穩定性好,安全性能高,容量大,無記憶效應,環境友好等優點,被廣泛應用到大型電動車輛、中型電動車輛、電動工具、遙控車以及儲能設備等。锂離子電池通過锂離子在正負極之間跑來跑去來充電和放電。這個領域最牛的技術是“層疊電池結構”,也就是把好多個電池做成很薄的層然後疊在一起,這樣可以用很小的體積達到很高的效率。
如今,锂電池被廣泛應用到電動汽車中,作為電動汽車的三大件之一,是整個系統的動力來源,一直以來被視為電動車發展的重要标志性技術,占到了整車成本的百分之三十左右。而其性能的好壞也直接關系到車輛續航裡程的長短。除了锂電池,在動力續航儲能領域中還有其他電池,也起到了重要的作用有着重要的地位。
電池可分為化學電池、物理電池和生物電池三大類,其中在電動汽車中,應用最廣泛的是化學電池。化學電池是指能将化學能轉變為電能的裝置。主要部分包括電解質溶液以及浸入溶液的正負兩個電極。使用時,将導線連接兩個電極,即有電流通過(放電),因而獲得電能。化學電池又可分成蓄電池及燃料電池兩大類别。目前,市面上的車型大都采用蓄電池對車輛進行驅動,如蔚來ES8、特斯拉MODEL 3等等。在技術發展的過程中,車企曾經采用了不同種類的蓄電池,但出于對成本,技術的考慮。目前絕大多數蓄電池已經被市場所淘汰,如鉛酸蓄電池、錳酸锂電池等等。現在市場上主流的蓄電池主要以锂離子電池為主,少數車企用的是鎳氫電池,比如豐田。
特斯拉model3
理想ES8
锂離子電池中應用最為廣泛的兩種電池
也屬于化學電池,是蓄電池的一種,锂離子電池的發展雖隻有40年曆史,但憑借其能量密度高,循環用用壽命次數的優勢成為了目前電動車上最常用的電池之一。然而,在锂離子電池中,三元锂和磷酸鐵锂在一段時間内都各自稱霸過一段時間,兩者存在着顯著的差異。
三元锂和磷酸锂的比較
磷酸鐵锂電池概念以及應用優劣勢
目前采用磷酸鐵锂電池的車型越來越多,随着特斯拉與甯德時代預定45GWh磷酸鐵锂電池,奔馳宣布使用磷酸鐵锂電池,造車企業巨頭都使用磷酸鐵锂電池,說明資本對磷酸鐵锂的青睐。其熱穩定性是目前車用锂電池中最好的,隻有處于 500-600℃高溫時,其内部化學成分才開始分解,而且由于磷酸鐵锂的數量相對于锂電池較少,但由于磷酸鐵锂電池的電池能量密度為100-110Wh/kg,相比于三元锂電池,它的電池能量密度要稍差一些,但仍然不影響其在電動汽車領域的運用。
磷酸鐵锂和三元锂的裝車量及産量
磷酸鐵锂和三元锂的裝車量及産量
三元锂電池的市場以及應用
與磷酸鐵锂電池相比,主打高能量密度、高性能的三元電池,當前的市場占有率以肉眼可見的速度節節敗退。由之前市場份額百分之七十縮水到現在的百分之四十。但是,電動汽車市場是多樣化的,不同車企的技術路線和産品開發策略也不盡相同,用戶對于續航裡程的需求和使用環境更是千差萬别。因此,磷酸鐵锂和三元锂電池仍有各自不同的市場。至少到2025年,磷酸鐵锂和三元锂仍将是動力電池兩條主要的技術路線,但使用場景和适用車型會有區别。在車企的産品組合中,續航裡程更長的中高端車型将會更多搭載三元锂電池。主要是因為三元锂電池的能量密度較高,為200Wh/kg,也就是說在同樣質量的情況下,三元锂電池的續航裡程要比采用磷酸鐵锂電池的車型更長。但三元锂電池的缺點就是穩定性較差,當自身溫度為250-350℃時,内部成分就開始分解,而且同樣電池能量的條件下,三元锂電池的單體數量要遠大于磷酸鐵锂電池,這也對它的BMS電池管理系統提出了更高的要求。
從電池技術本身發展趨勢來看,從磷酸鐵锂到三元锂、再到半固态/固态、锂硫、锂空氣、锂金屬電池等不斷演進的技術路線仍是電池行業未來發展的方向。無論是磷酸鐵锂電池還是三元锂電池,在未來電動車領域都發揮着重要的作用,作為動力和儲能,不僅有锂電池,最近研發出來的鈉離子電池,更适合搭載在兩輪電動車和儲能領域。锂離子電池也并非是行業中的天花闆,有最新新聞報道稱,即将量産的锂金屬電池較當前市場上最好的锂離子電池,能量密度提升40% ,未來的锂金屬電池支持電動汽車續航達到1200km ,未來,在動力電池領域會有更多精彩産品。
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