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宁德时代打造超级电池:寿命可达200万公里,靠谱吗?

来源:2030出行研究室作者:腾讯新闻知识官 朱玉龙编辑:陆屿(本文首发腾讯新闻客户端,未经授权,请勿转载。本文作者系资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师,10年以上的新能源汽车专…

来源:2030出行研究室
作者:腾讯新闻知识官 朱玉龙
编辑:陆屿
(本文首发腾讯新闻客户端,未经授权,请勿转载。本文作者系资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师,10年以上的新能源汽车专业从业经验,著有《汽车电子硬件设计》。)近期,长寿命电池成为业内的热门话题。今年,马斯克表示特斯拉将在2020年推出一款使用寿命达100万英里的新电池,随后通用汽车的执行副总裁道格·帕克斯表示,通用正在研发累计续航里程达100万英里的电池。而近日宁德时代的董事长曾毓群表示,准备生产一款行驶里程达200万公里且使用年限为期16年的电池,引起了行业和消费者的高度关注。对于这次的技术突破,我们将主要聚焦和探讨两个问题:为什么动力电池寿命到目前突然有了技术突破?目前的技术突破究竟在哪些方面?是否真正具有可行性?
长寿命电芯能做成吗?车企宣布做长寿命电池,总的来说对行业乃至社会都带来很高的便利性。从电池原理的角度来看,可能电池企业会做以下几大方面的处理:一、 正极单晶技术:单晶材料显著区别于三元二次球材料,具有更高的结构稳定性,更低的比表面积,更少的表面缺陷和更高的真密度等诸多优点。对单晶材料进行掺杂包覆等一定的优化后,使用单晶材料在提高电压的同时依然可以保证材料的循环性能,可兼顾电芯的能量密度和循环寿命,这是一个基本点。二、负极表面修饰:开发了“自修复”负极材料,新的负极材料可以自动修复使用过产生的少量SEI膜缺陷。三、电解液的匹配开发:为了解决日历寿命的问题,可以努力改善高温循环性能,在电解液中加入特殊的正极成膜添加剂;优化了电解液的溶剂种类及比例,从而获得更稳定的固液相界面,更高效的离子传输,更宽的温度响应区间等优异特性;电芯表现出优异的高温长循环性能和低温放电、功率性能。
图1 宁德时代法兰克福车展上的技术讲解
从目前现有的信息来看,我们可能能看到电池技术在寿命方向上新分出来一种新的分支,在追求成本和追求能量密度之外追求长寿命电池这种新的品类,目前不确定是否能实现100万英里还是200万公里,我们应该能看到电池寿命会比之前10万英里或者15万公里有大幅的提高。
长寿命电池为社会带来减排效应长寿命电池究竟会带来哪些突破性的变化?长寿命电池如果真的能够突破了,对于消费者来说肯定有很大的便利性。比如对于大部分车主来说,平常上下班一天都在50公里以内,极端一些的可能在80公里左右,一年下来在1.5万-2万公里,从保有8年来考虑,也就是整个第一次使用周期会有12万到16万公里的里程积累。按照目前国内主流标准,动力电池的保修期为8年15万公里,如果长寿命电池开发成功的话,可以大大增加电动汽车的残值(是指在一项资产使用期满时预计能够回收到的残余价值),特别是动力总成对应的残值。电动汽车本身是和电网高度依存的,电动汽车每天需要从电网上使用电能作为驱动的窄体,而纯电动车辆与电网的互动,实现高效的双向传输、控制负荷,以及规模车队的管理是关键。电池的寿命瓶颈能够解决,就可以为电网的优化其可再生能源的利用。电网是有峰谷之分,也就是白天可能是用电高峰,而凌晨可能是用电低谷。电动汽车的大量电池,可以满足电网削峰平谷的需求,也能有效的降低用电成本,对整个社会效益和环境来说是非常友好的。从更长远的角度来看,如果电池能够长寿命,那么未来大量公用的车辆,电动巴士、出租车和网约车甚至是未来的自动驾驶的车辆,就可以不拘束的使用,能够为社会创造出更多的减排效益。
图2 电池寿命的感受几个阶段
还有一个重要点:动力电池的寿命限制在哪里?从技术的角度来说,我们正常在使用电芯中往往会观察到三个阶段:第一阶段是初始容量的增加:电池的容量是一个重要的参数,其值由正极材料容量、负极材料容量、负极-正极容量比,负极一般会比正极在几何尺寸上拉长一些。实际上电池企业也会在这个上面把额定容量的数据进行一定幅度的调整,以匹配实际的出厂容量的公差范围。所以一般都能观察到初期的容量,是高于额定容量,并持续一段时间。第二阶段是电池的线性容量损失:电池不管是放在那里还是循环使用,电芯内部都会出现老化。如下图所示,从微观尺度角度来看,电池的主要材料由正极、负极、电解液和隔膜等材料所组成。为什么能量会不停的衰减?实际上电池本事是电化学储能,容量衰减的机理主要是在内部已经发生了很多不可逆的负反应。
图3 电芯的寿命衰减的机理
容量衰减跟正极、负极、电解液都有关系,从材料还有物理化学的角度分来看:正极材料,在循环过程中会有不可逆的相变,还有金属离子溶出;正极材料颗粒破碎,粘结剂分解和正极材料晶体结构改变等因素,会导致一部分正极活性物质失去嵌锂等能力;负极材料中会有活性物质脱落,粘结剂分解等因素,都会导致部分负极活性物质颗粒失去与导电网络的导电连接,从而使其无法嵌锂,造成锂离子电池容量损失。经历了第二个阶段后期会迎来电池寿命的终点快速蜕变:这个一般是崩坏的过程,最好这个时候拆解一下电芯,并记录一下崩坏之前的各项参数特性。这是一个标志点,也是车辆从相对健康到很难使用的转折点。实际上,动力电池在和电动汽车设计中,容量衰减预测和分析,是非常重要的。工程师们通过考虑不同的影响因子,包括环境温度、不同使用电池放电深度和使用工况构建数学模型,对整个电池的可用性要做出大量的验证工作。如下图所示,实际上电池的衰减也是呈现出一定的离散型,在16万公里质保期内努力设计成不会快速跳变的状态。
图4 特斯拉之前的电池所呈现出来的离散型
总的来说,动力电池的寿命限制主要还是在电芯材料和电芯设计层面,主要是电池内部副反应的微观层面的变化日积月累导致了电池的衰减。如今车企和电池企业按照长寿命电芯的设计预期,对于消费者来说是大好事,对于整个产业来说有了更多的可能性。当然这种技术突破是否真正能够兑现200万公里和16年,并且成本上只上升10%这样的豪言壮语,是否带来其他的性能折中,我们还是持有谨慎态度,对电池的后续开发成果拭目以待。
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