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            動力鋰電池系統輕量化技術研究

            作者:admin????來源:未知????發布時間:2021-01-26 11:32????瀏覽量:
              目前電動車使用的電池大多是鋰離子電池。單體電池實現了高壓高能電池系統的串并聯。與傳統燃油汽車相比,電動汽車由于電池系統較重,續航能力明顯不足。數據顯示,電動汽車質量減少10%,可提高行駛里程5.5%。

              因此,尋找高比能量電池系統是目前重要的研究方向,也是實現電動汽車輕量化的重要途徑。減輕電池系統重量的方法有三種:(1)增加單個電池芯的能量密度;(2)降低電池系統配件質量;(3)優化電池系統設計。

              第一,提高單體電池的能量密度

              目前我國電動汽車用電池的正極材料是磷酸鐵鋰和三元材料。磷酸鐵鋰離子電池因其最佳的安全性能和循環壽命而被大規模工業化。國內很多電池廠都選擇生產這種類型的電池,比如深圳比亞迪、合肥郭萱。

              而磷酸鐵鋰離子電池的比能量較低(120 ~ 170 Wh/kg),而三元電池的比能量較高(180 ~ 220 Wh/kg),更能滿足市場對續航里程的需求,增加三元鋰電池的量產。目前重要廠商有寧德時代新能源,上???。雖然三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰離子電池,但距離工信部提出的到2025年動力鋰離子電池比能達到500Wh/kg的目標還有很長的路要走。因此,應進一步研究新材料系統或電池系統,以達到上述目標。

              1使用高容量陰極材料

              正極材料的容量和電壓是限制電池能量密度的最重要因素。正極材料的質量占單體電池的40% ~ 45%。因此,采用工作電壓高、容量大的正極材料可以顯著提高電池的能量密度。

              三元鎳鈷錳酸鋰(NCM)材料可以通過混合鎳、鈷和錳的比例獲得不同的材料特性。目前,三元鋰離子電池的重要應用是NCM111和NCM523。而三元材料中鎳、鈷、錳的比例在1:133601、5:233603到6:233602、8:133601之間,可以提高電極材料的克容量,因此高鎳三元材料的高容量備受關注。一般來說,三元材料中鎳含量越高,單位質量材料貢獻的能量越多,由其制備的電池能量密度越高,但電池的循環性能和穩定性下降。

              鎳鈷鋁酸鋰(NCA)是另一種高鎳含量的三元材料。高鎳含量使NCA具有190Ah/kg的高比容量,是最有前途的高能量密度鋰離子電池負極材料之一。鎳鈷鋁酸鋰的結構與三元NCM811體系相似,但摻鋁后材料的穩定性和循環性能更好,已成功應用于電動汽車。特斯拉的頂級車型使用松下電池,陽極材料是NCA。其單電池容量為3100mAh,比能量為250Wh/kg,使得ModelS的續航里程達到480km。雖然NCA鋰離子電池具有優越的電池性能,但生產技術門檻高。NCA材料制備工藝難度大,材料生產成本高,生產設備要求特殊,電池設計制造難度大。目前國內只有少數廠家進行小批量生產。

              另外,高壓鈷酸鋰通過提高電壓來增加能量密度,但是鈷的價格高,不適合對電池成本敏感的汽車電池;富鋰三元具有較高的比容量,磷酸錳鐵鋰提高了電壓平臺,有望用于動力鋰離子電池。然而,這類陰極材料的技術成熟度仍然不足,需要進一步研究和工業驗證。

              2采用大容量負極材料

              在工業鋰離子電池中,負極的質量約占電池質量的15% ~ 20%。石墨,理論比容量為372mAh/g,是常用的負極材料,但其對電池能量密度的改善有限。硅陽極的理論比容量高達4200mAh/g,是石墨的10倍以上。它已成為大容量陽極材料發展的熱點。

              為了解決純硅陽極材料體積膨脹和可回收性差的問題,一種方法是制備納米硅材料,另一種方法是制備硅復合材料、硅/碳或硅氧復合材料。復合材料的優勢在于各組分的優異性能達到協同效應,降低其體積效應。

              此外,硅基陽極材料在使用中與石墨陽極混合,其添加量約為5% ~ 10%,在一定程度上降低了體積效應,提高了循環壽命。硅碳負極已經部分用于特斯拉電池,這為硅碳負極在動力鋰離子電池中的應用拉開了序幕。在應用過程中,應系統研究硅碳負極的工藝控制、使用比例、電解液成分優化和電池結構設計,以滿足動力鋰離子電池的需求。

              3增加極片中活性物質的比例

              一般來說,電池正負極片的成分包括活性物質、導電劑和粘合劑。導電劑和粘結劑的比例降低,從而提高了活性物質的比例,提高了單體電池的能量。目前,碳納米管、碳纖維、石墨烯等導電劑的應用可以有效地將導電劑的比例從傳統的3% ~ 4%降低到0.5% ~ 1%;但蘇威、阿克馬等膠粘劑生產廠家正在開發粘接性能更好的新產品,將活性物質的比例提高到97% ~ 98%,從而有效提高電池的能量密度。在電池設計中,導電劑和粘結劑的優化非常重要,不僅增加了活性物質的比例,而且不影響電池的功率密度、極片的吸液能力、極片的柔韌性等。4降低電池輔料質量

              電池的輔助材料包括正負極集流體、隔膜材料和電池包裝材料。在保證單體電池安全性能的前提下,可以通過減小電池集流體的厚度、隔膜的厚度或電池單體的封裝材料的質量來提高電池的能量密度。一般來說,電池輔助材料的質量可以占到電池質量的10%左右,這個質量的降低可以在一定程度上提高能量密度,但并不明顯。

              二、降低電池系統配件質量

              減少電池系統附件的質量也可以提高電池系統的能量密度。電池系統的重要附件是電池盒,電池盒是電動汽車的“心臟”,是電池的載體,在保護電池安全方面起著關鍵作用。因此,電池盒應滿足密封性、耐腐蝕性、耐振動性、耐沖擊性和耐碰撞性的功能。在降低電池外殼質量的過程中,可以選擇高強度、低密度的材料來保證其基本的理化性能,同時降低其質量,以便在實踐中應用。

              1高強度鋼

              高強度鋼是指屈服強度在210 ~ 550兆帕之間的鋼,屈服強度超過550兆帕的鋼稱為超高強度鋼。在強度相同的情況下,使用高強度鋼可以有效降低零件厚度,實現輕量化。目前,Q235鋼板是電動車電池殼的重要材料。特斯拉Model3車身底部的電池組基本采用超高強度鋼包裹,一方面保證了車身結構的穩定性,另一方面保護了電池組的安全性。同時取消了專門用于保護電池組的結構,從而達到結構減重的目的。

              2鋁合金

              鋁合金密度低、強度高、沖擊性能好、成型性好、耐腐蝕性好、易于回收??杉庸こ筛鞣N型材,在工業上應用廣泛,用途僅次于鋼材。但是鋁合金焊接工藝差,材料價格高,大概是鋼材價格的三倍。因此,改進鋁合金成型工藝,降低材料成本,可以促進輕量化電池外殼的發展。

              3復合材料

              復合材料是由兩種或兩種以上材料組成的新型材料,它結合了每種材料的優點。它具有重量輕、強度和彈性模量高、耐腐蝕、耐磨等優點,在一些領域逐漸取代金屬合金。

              復合材料根據其結構特點可分為夾層復合材料和纖維增強復合材料,其中纖維增強復合材料應用最廣泛,如碳纖維和環氧樹脂復合材料。復合材料相對于一般鋼件的重量損失在50%以上,相對于鋁合金的重量損失要達到30%以上,對降低電池殼質量有明顯的作用。

              王家弄等人利用有限元軟件對Q235鋼和碳纖維/環氧樹脂復合材料的結構強度進行了分析比較,設計了合理的碳纖維/環氧樹脂電池盒。結果表明,電池盒的承載能力沒有降低,重量減輕了64%。但是碳纖維的使用要克服價格高的問題。同時,復合材料在電池殼中的應用是一個漸進的過程,完全替代金屬材料還不成熟。第三,優化電池系統設計

              1采用輕質結構

              通過對電池系統配件進行合理的結構設計,減少材料的使用,結合計算機輔助工程(CAE)仿真分析,在配件安全性能不變的情況下,達到輕量化的目的,如配件的鏤空、復合、減薄等,通過電池尺寸設計和電池重排,將更多的電池放置在相同體積的電池盒內,提高電池系統的能量密度。

              比如大部分特斯拉ModelS的電池組都是16個小模塊,而Model3長壽命版的電池組只有4個模塊。更少的模塊意味著更少的電池組內部隔板、電池組BMS、線束和冷卻管接口,這可以減輕電氣部件和結構的重量。

              2采用輕量化制造工藝

              制造工藝、材料、結構相輔相成,需要找到合適的先進技術共同實現輕量化。鋼制零件可采用熱成型技術。這項技術的重要之處是在加工前對鋼進行加熱,使其變成奧氏體。該技術高溫沖壓性能好,成形準確,無回彈,重量輕。

              激光拼焊技術是將不同材料、涂層和厚度的鋼或鋁合金焊接成一個完整的零件,減少零件數量和材料消耗,實現輕量化裝配工藝。因此,該技術已廣泛應用于制造過程中。

              比如在特斯拉Model3電池組中,正負極連接片由整片改為設置在電池組兩側的樹枝狀連接片,而不是采用傳統方式。也就是說,將原來的兩面鋁片改為一面,同時使用的鋁片可以更薄更輕,在整個電池組層面上可以減輕幾公斤的重量。

              3D打印技術是以粉末狀金屬或塑料等粘性材料為原料,采用逐層打印的方法來構造零件的技術??梢造`活使用不同的材料設計電池盒,提高電池盒的整體功能性,降低電池盒的整體質量。它的重要優點是縮短零件制造周期,降低生產成本,減少材料浪費,降低零件質量。但是目前的金屬3D打印機技術還不夠成熟,3D打印還是以塑料材料為主。

              總結:

              電動汽車的電池系統輕量化勢在必行,可以通過提高單體電池的能量密度,降低電池系統的質量來實現。高能量密度電池研發的主導方向是用高容量正極材料、高容量負極材料制備電池,用先進復合材料制備電池系統附件。然而,面對材料成本高、工藝不成熟的問題,必須加強技術改造,降低材料成本,提高材料利用率,開發更好的新材料,引進國際先進設備,掌握先進制造工藝。

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