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如何滿足龐大的電動(dòng)汽車市場？低成本長壽命高安全的熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池來了

時(shí)間:2021-01-20 10:09來源:新能源Leader 作者:楊曉光 王朝陽
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       第一作者：楊曉光
       通訊作者：王朝陽
       單位：美國賓夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心
 
       2020年是魔幻且艱難的一年，但對電動(dòng)汽車行業(yè)來說卻是具有里程碑意義的一年：特斯拉成為全球市值最高的車企，比亞迪、蔚來市值超越通用、戴姆勒，寧德時(shí)代超越中石油。電動(dòng)化轉(zhuǎn)型這一汽車行業(yè)百年來最大的技術(shù)變革已大幕拉開，面對未來龐大的電動(dòng)汽車市場，有電動(dòng)汽車心臟之稱的動(dòng)力電池技術(shù)應(yīng)當(dāng)如何發(fā)展，才能讓電動(dòng)汽車真正走進(jìn)千家萬戶？與資本市場偏愛動(dòng)聽的故事和炫酷的概念不同，翻看國內(nèi)近幾個(gè)月的新能源汽車銷量，相信很多人都不會想到，五菱宏光MINI這款“老頭樂”會打敗包括特斯拉Model 3在內(nèi)的所有新能源車。其根本原因就是：便宜；這恰恰反映了我國主流汽車銷售市場的真實(shí)需求。因此，無論未來電池技術(shù)如何發(fā)展，如果成本過高，終將是水中月鏡中花。
 
       本文提出了一種面向大眾市場的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池方案，其包含以下核心點(diǎn)：
 
       1）與當(dāng)前車企動(dòng)輒追求150kWh以上電池包以達(dá)到1000公里續(xù)航的炫酷概念相反，本文主張采用如40kWh的小電池包，并采用成本低廉但安全性極高的磷酸鐵鋰材料。這樣的電池包一次充電可提供300公里續(xù)航，滿足日常通勤需求，同時(shí)電池成本可大幅降低至2.5萬元每車。
 
       2）采用快速熱調(diào)控技術(shù)將電池工作溫度固定在60℃左右，一方面可實(shí)現(xiàn)10分鐘快速充電，徹底消除里程焦慮；另一方面使電池在全溫度區(qū)間(-40℃至+60℃)均保持優(yōu)異的能量和功率特性，不僅解決了磷酸鐵鋰材料低溫性能差的致命弱點(diǎn)，更使得40kWh電池包擁有>300kW的峰值功率，可實(shí)現(xiàn)3秒內(nèi)百公里加速；
 
       3）負(fù)極采用小比表面積的石墨材料，進(jìn)一步提高磷酸鐵鋰電池的安全性，同時(shí)可緩解高溫工作引起的材料衰減，提高電池壽命。
 
       綜上所述，這種熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池可同時(shí)滿足電動(dòng)汽車的多項(xiàng)需求：無里程焦慮、低成本、高安全性、長壽命、全氣候，為面向大眾市場的電動(dòng)汽車提供了一種全新的電池方案。
 
       磷酸鐵鋰 vs 高鎳三元
 
       對能量密度的追求是多年來動(dòng)力電池發(fā)展的主旋律。電動(dòng)汽車已由早期的磷酸鐵鋰電池逐步轉(zhuǎn)向能量密度更高的三元電池。2019年，磷酸鐵鋰電池在乘用車市場的份額降至歷史新低的10%。業(yè)界曾普遍認(rèn)為，具有更高能量密度的高鎳三元電池將是未來的主流。然而，鎳含量的增加會降低三元材料的熱穩(wěn)定性，對電動(dòng)汽車安全帶來極大挑戰(zhàn)，而安全是所有汽車追求的永恒主題。磷酸鐵鋰材料具有分解溫度高、自放熱量小、不析氧等優(yōu)點(diǎn)，安全性極高。根據(jù)新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布的《新能源汽車國家監(jiān)管平臺大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報(bào)告》，2019年5月至8月間我國發(fā)生的79起新能源汽車安全事故中，86% 的事故車輛使用了三元鋰電池，只有7% 的事故車輛使用了磷酸鐵鋰電池。
 
       除安全性外，磷酸鐵鋰電池在成本上擁有明顯優(yōu)勢，其電池包成本已降至100美元/千瓦時(shí)以下，而100美元/千瓦時(shí)被普遍認(rèn)為是電動(dòng)汽車可以與燃油車抗衡的臨界點(diǎn)。根據(jù)彭博社統(tǒng)計(jì)，目前三元電池的成本約156美元/千瓦時(shí)，預(yù)計(jì)2025年以后才可能降至100美元/千瓦這一臨界點(diǎn)。
 
       電芯能量密度 vs 電池包能量密度
 
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圖1. 當(dāng)前主流電動(dòng)汽車電芯和電池包的質(zhì)量能量密度和體積能量密度。
 
       磷酸鐵鋰的最大缺點(diǎn)是比容量低，導(dǎo)致電池能量密度低。目前主流的高鎳三元電池電芯能量密度已超過260Wh/kg，而磷酸鐵鋰電芯的能量密度只有~180Wh/kg。然而對電動(dòng)汽車而言，最關(guān)鍵的參數(shù)不是電芯的能量密度，而是電池包的能量密度。傳統(tǒng)的電池包就像一個(gè)俄羅斯套娃，其內(nèi)部包含多個(gè)模組，每個(gè)模組又包含多個(gè)電芯。電芯-電芯、電芯-模組、模組-模組之間的連接件和結(jié)構(gòu)固定件會造成質(zhì)量和空間的極大浪費(fèi)，導(dǎo)致電池包的能量密度遠(yuǎn)低于電芯的能量密度。圖1匯總了當(dāng)前主流電動(dòng)汽車電芯和電池包的質(zhì)量和體積能量密度。這里我們定義兩個(gè)參數(shù)：GCTP (gravimetric cell to pack ratio) 代表電池包的質(zhì)量能量密度與電芯的質(zhì)量能量密度的比值，即電池包質(zhì)量利用率。VCTP (volumetric cell to pack ratio)代表電池包的體積能量密度與電芯的體積能量密度的比值，即體積利用率。如圖1所示，當(dāng)前絕大多數(shù)電動(dòng)汽車的質(zhì)量利用率(GCTP)低于0.65，而體積利用率(VCTP)更是低于0.4。
 
       可見，提高電池包的成組效率可能比通過材料改進(jìn)而提高電芯比能量的方法帶來更大收益。近年來，工業(yè)界在電池系統(tǒng)創(chuàng)新方面取得了顯著進(jìn)展，比如比亞迪的刀片電池技術(shù)，寧德時(shí)代的CTP (cell to pack)技術(shù)，國軒的J2M (jellyroll to module) 技術(shù)等。其核心思想都是盡量去除電池包的冗余部件以提高成組效率。比如比亞迪的刀片電池將電芯寬度設(shè)計(jì)成與電池包寬度相當(dāng)，然后將多個(gè)電芯陣列直接插入電池包中，省掉了傳統(tǒng)電池包中的模組及相關(guān)連接件和結(jié)構(gòu)固定件，從而顯著提高了電池成組效率。
 
       圖2比較了不同活性物質(zhì)載量下傳統(tǒng)三元電池(石墨-NMC622)和磷酸鐵鋰刀片電池在單體電芯和電池包層面的質(zhì)量和體積能量密度�？梢钥吹�，磷酸鐵鋰電芯的能量密度遠(yuǎn)低于三元電芯，但由于刀片電池極高的成組效率，磷酸鐵鋰刀片電池包的質(zhì)量能量密度已經(jīng)與傳統(tǒng)三元電池包相當(dāng)，而其體積能量密度甚至已高于傳統(tǒng)的三元電池包。
 

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圖2. 傳統(tǒng)三元電池和磷酸鐵鋰刀片電池的電芯(a,c)和電池包(b,d)質(zhì)量能量密度(a,b)和體積能量密度(c,d).
 
       磷酸鐵鋰刀片電池的瓶頸
 
       作者利用電化學(xué)-熱耦合模型進(jìn)一步比較了磷酸鐵鋰刀片電池和傳統(tǒng)三元電池的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，包括功率特性、環(huán)境溫度適應(yīng)性、快充特性等。圖3是采用兩種電池的40kWh電池包在不同環(huán)境溫度下的續(xù)航里程。左側(cè)為UDDS測試標(biāo)準(zhǔn)，模擬城市路況；右側(cè)為US06測試協(xié)議，對應(yīng)高速工況。由于采用刀片電池結(jié)構(gòu)后磷酸鐵鋰電池包的能量密度已與傳統(tǒng)三元電池相當(dāng)，兩種電池包在>10℃環(huán)境的續(xù)航里程已十分接近。但是我們可以看到，磷酸鐵鋰低溫性能差的弱點(diǎn)會導(dǎo)致其低溫工況的續(xù)航里程遠(yuǎn)低于三元電池。因此，低溫將是磷酸鐵鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。
 
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圖3. 搭載40kWh磷酸鐵鋰刀片電池包或傳統(tǒng)三元電池包的電動(dòng)汽車在不同環(huán)境溫度下的續(xù)航里程。(a,c) UDDS測試標(biāo)準(zhǔn)，模擬城市路況；(b,d) US06測試標(biāo)準(zhǔn)，模擬高速路況。
 
       熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池
 
       基于上述分析，本文提出了熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池(TM-LFP battery)的概念。其核心是在車輛啟動(dòng)或充電之前將電池由環(huán)境溫度快速加熱至60℃左右工作，關(guān)機(jī)后自然冷卻電池靜置在環(huán)境溫度。
 
       熱調(diào)控帶來的第一個(gè)好處是實(shí)現(xiàn)10分鐘極速充電。電池快速充電的最大瓶頸是所謂的析鋰現(xiàn)象：在高電流或低溫充電時(shí)，鋰電池負(fù)極電勢可能降至0V以下，造成鋰離子在石墨表面以金屬形態(tài)析出，極大地影響電池壽命并造成安全隱患。圖4研究了不同溫度下磷酸鐵鋰和傳統(tǒng)NMC622電池的最大充電速率�？梢钥吹�，在25℃環(huán)境，磷酸鐵鋰電池最快可實(shí)現(xiàn)3C (20 分鐘)充電，但在0℃條件下，該電池只能實(shí)現(xiàn)0.7C (80分鐘)充電。相反，若升溫至60℃，該磷酸鐵鋰電池使用6C充電也無析鋰，且充電時(shí)間可降至10分鐘以內(nèi)。因此，只要加熱速度足夠快，熱調(diào)控電池在任何環(huán)境溫度下都可以實(shí)現(xiàn)10分鐘快速補(bǔ)能。
 
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圖4. 不同環(huán)境溫度下最大充電速率。(a,c,e) 電池電壓，(b,d,f) 負(fù)極電勢。負(fù)極電勢<0v會導(dǎo)致電池析鋰。
 
        熱調(diào)控電池的第二大優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)全氣候高續(xù)航、高功率。圖5a比較了在UDDS工況下搭載40kWh電池包的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。傳統(tǒng)NMC622電池和LFP刀片電池都是從滿電狀態(tài)(100%SOC)開始工作，而熱調(diào)控 (TM-LFP) 電池先從環(huán)境溫度加熱至60℃后再開始工作�；诒疚淖髡叽饲伴_發(fā)的自加熱電池結(jié)構(gòu)，每10℃電池溫升大概消耗1.35%SOC，意味著從-20℃加熱至60℃消耗10.8% SOC�？梢钥吹�，雖然在-20℃工況下TM-LFP電池加熱后只剩余89.2% SOC，其仍然可以提供>250公里的續(xù)航里程；而傳統(tǒng)三元電池包在-20℃下只能行駛100公里，磷酸鐵鋰刀片電池在-20℃下已幾乎無法工作。此外，溫度的升高將極大地提高電池的功率特性。如圖5b所示，即使在-20℃，TM-LFP電池在10%SOC下的功率密度仍然達(dá)到~1500W/kg，已經(jīng)高于了歐洲汽車研發(fā)委員會(EUCAR)制定的動(dòng)力電池在2030年的功率密度目標(biāo)。更重要的是，該功率密度使得40kWh的電池包能夠擁有>300kW的峰值功率，意味著百公里加速可在3秒以內(nèi)。
 
        熱調(diào)控電池的最大挑戰(zhàn)是高溫工作引起的電池材料衰減，尤其是高溫會加速負(fù)極SEI的增長，引起容量的衰減。需要指出的是，熱調(diào)控電池只是在電池工作（汽車駕駛）時(shí)處于60℃高溫，在其他時(shí)間均處于環(huán)境溫度。以美國為例，根據(jù)美國汽車協(xié)會數(shù)據(jù)，美國人平均每天駕駛51分鐘，行駛31.5英里，意味著汽車只有3.5% (51分鐘/24小時(shí))的時(shí)間處于行駛狀態(tài)，即熱調(diào)控電池在其生命周期內(nèi)只有3.5%的時(shí)間處于60℃。圖5d展示了一款LFP商業(yè)電池在60℃環(huán)境存儲的壽命�？梢钥吹剑词乖�100%SOC，該LFP電池在60℃的壽命可以達(dá)到660天。對于TM-LFP電池而言，假設(shè)汽車平均時(shí)速37英里(60公里每小時(shí))，在60℃工作660天意味著總駕駛里程可達(dá)58萬英里(95萬公里)。因此，高溫工作并不會對電池壽命造成顯著影響。需要指出的是， LFP材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使其非常適合高溫工作。
 

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圖5. 熱調(diào)控電池(TM-LFP battery)實(shí)現(xiàn)全氣候a) 高續(xù)航里程，b)高功率，c)10分鐘充電。d)石墨-LFP電池在60℃、100%SOC下存儲的日歷壽命。
 
        此外，由于SEI增長速率與石墨材料的比表面積成正比，作者提出使用低比表面積石墨材料以進(jìn)一步提高電池壽命的策略。低比表面積石墨材料的最大問題是其會增大電池內(nèi)阻而降低電池功率性能，而熱調(diào)控電池的高溫工作完美地彌補(bǔ)了這一不足，非常適合低比表面積的石墨材料的應(yīng)用。如圖5d所示，若石墨比表面積降低一半(石墨粒徑增大一倍)，LFP電池在60℃存儲的壽命可延長至2315天，按照前述估計(jì)方法，采用熱調(diào)控電池的整車壽命有望超過320萬公里。
 
        需要指出的是，熱調(diào)控電池在高溫工作使得電池與環(huán)境之間具有較大的溫差，可以顯著的降低電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的需求，從而進(jìn)一步提高電池包的成組效率并降低電池成本。圖6匯總了上述傳統(tǒng)三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池、熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)。可以看到，熱調(diào)控電池可同時(shí)滿足電動(dòng)汽車的多項(xiàng)需求：低成本、高安全、高功率、快速充電、全氣候、長壽命，因此非常有潛力應(yīng)用于未來面向大眾市場的電動(dòng)汽車中。
 

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圖6. 熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池、傳統(tǒng)三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池的性能指標(biāo)雷達(dá)圖。
 

       團(tuán)隊(duì)介紹：
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        楊曉光：2014年4月博士畢業(yè)于上海交通大學(xué)動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)，師從鄭平院士。同年加入賓州州立大學(xué)王朝陽院士團(tuán)隊(duì)開展博士后研究，2018年3月起擔(dān)任助理研究教授。研究方向側(cè)重于利用結(jié)構(gòu)和工作策略創(chuàng)新以及電化學(xué)-熱-機(jī)械耦合仿真提高動(dòng)力和儲能電池的快速充電能力、壽命、低溫性能等。以第一作者在Nature Energy, Joule, PNAS等國際頂級期刊發(fā)表多篇研究論文，研究成果被Science、Nature雜志以及全球多家主流媒體（USA Today，英國衛(wèi)報(bào)、獨(dú)立報(bào)、每日郵報(bào)，法國法新社、費(fèi)加羅報(bào)，德國圖片報(bào)、世界報(bào)，西班牙先鋒報(bào)、阿貝塞報(bào)，中國環(huán)球時(shí)報(bào)、參考消息等）報(bào)道。
 
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       王朝陽：美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士，美國賓州州立大學(xué)機(jī)械工程William E. Diefenderfer講席教授，化學(xué)工程、材料科學(xué)與工程杰出教授，賓州州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中心（ECEC）和電池與儲能技術(shù)中心（BEST Center）主任及創(chuàng)始人，美國機(jī)械工程師學(xué)會（ASME）會士，電化學(xué)學(xué)會（ECS）電池分會執(zhí)行委員，聯(lián)合國發(fā)展計(jì)劃署高級技術(shù)顧問。王教授在鋰離子電池和燃料電池技術(shù)方面擁有超過25年的研究經(jīng)驗(yàn)，在Nature，Nature Energy, Joule, PNAS, Sci. Adv., Energy Environmental Sci, JACS等期刊發(fā)表論文220多篇，總計(jì)被引量超過33,000次，H指數(shù)為102，是湯森路透評選的工程學(xué)高被引科學(xué)家之一。他發(fā)表在Nature上的關(guān)于全氣候電池（ACB）的研究被2022年北京冬奧運(yùn)會采用，成為驅(qū)動(dòng)奧運(yùn)電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一。

(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電動(dòng)汽車 磷酸鐵鋰電池
作者：楊曉光 王朝陽 ，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：http://kqcgw.com/qianyan//2021012035263.html
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