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2、提升电池组能量密度
如图6所示,提升电池组能量密度主要有两个办法,一是在不降低安全系数的情况下,使用轻质部材对电池组框架进行轻量化处理,二是提升电芯的能量密度。日产2013年初推出的改款Leaf产品,主要变化是采取了轻量化锂离子电池架构,改进了动力总成布局,这使得Leaf EV的重量减轻了105kg(原来是1,545kg,现在减轻到1,440kg)。减轻重量的具体办法是:①减轻电芯外壳重量(约减轻了20kg);②减少了用来固定电池模块的螺钉的数量,并去掉了支架多余的壁厚;③减轻了电池模块的外装。后两个办法减轻了约85kg。这样,Leaf电池组的能量密度就由之前的86Wh/kg提升到了92.9Wh/kg,车辆的续航里程也由之前的120km提升到了135km(指实际工况)。
根本办法还是提升电芯的能量密度。这也同样有两种途径,一是减轻电芯外包装材料的重量,二是提升电池技术水平。上面已经提到,AESC是直接将Leaf用电芯外壳做轻量化处理,而松下是将电芯做大成20700型号,使得同样电量情况下使用的电芯数量更少,从而减轻电芯外壳总重量,以提升能量密度。把电芯做大目前是多数企业采取的办法。这两种办法殊途同归。同样,提升电芯能量密度的根本办法还是要靠提升电池技术水平,现阶段这主要是要依靠正极材料技术水平的提高来实现。几乎所有电池企业都把工作重心放在这上面。通过电池技术进步提升能量密度的办法主要有两个:一是采用5V级正极材料提升电池的电压,二是采用高容量正极材料提升电池的容量,二者结合当然是最佳。
还是以日产Leaf为例,将于今年晚些时候推出的2016款Leaf EV将会有S、SL和SV三个子款,其中入门版的S款将维持24kWh电池组的配置,而SL和SV则会将电池组可存储电量增加到30kWh,同时电池组体积不变。这样,车辆的续航里程将提升25%,以美国EPA数据看,续航里程将由目前的135km提升到169km。即将采用的30kWh电池组就是采用了新的电池技术,从相关资料来看,正极材料应该是由之前的“LMO+NCA”组合变成了“LNMO+NCA”组合。这个LNMO(镍锰酸锂)就是5V级正极材料。电芯的能量密度也因此由157Wh/kg提升到了200Wh/kg左右。
正极材料高容量化的技术开发,目前主要集中在两种三元材料身上,分别是镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA),其中NCM的技术开发方向是高镍化。目前动力电池用NCM材料主要使用的是NCM111、NCM532和NCM523这三种,三星SDI给宝马等车企提供的电芯使用的是NCM622,有中国企业开发出了NCM701515,该技术下一步的发展就是NCM811,到了NCM811这个阶段,NCM材料的容量就基本上和NCA一样了。中国电池企业的动力电池技术开发目前大多集中在NCM方向;致力于NCA电池技术开发的还不多,真锂研究目前仅知天津力神已经开发出了NCA电池,NCA材料技术的开发企业主要有贝特瑞、天骄科技等。
还有一种电池技术值得高度关注,就是全固态锂离子电池技术。使用固态电解质的、能量密度可轻松达到300Wh/kg的全固态锂离子电池技术开发也越来越清晰地看到了量产的曙光。丰田已经试制出了2Ah的全固态锂离子电池产品,装配在其微型电动汽车上收集实证试验数据。丰田计划2020年之前将全固态锂离子电池技术投入商业化应用。通用汽车参与投资的美国Sakti3也已掌握了相关技术,目前正在设计开发以最小的设备投资实现最大生产效率的全固态锂离子电池生产线(以现有方式制造的话,生产效率会非常低下,从而导致成本会高得离谱,必须要开发一种全新的生产方式)。
从媒体的相关报道来看,Sakti3希望在2017年或2018年前后上市销售其全固态锂离子电池产品,至于其产品单位kWh价格,可能会比现有的锂离子电池还要低。如果是这样,那锂离子电池技术就即将迎来一场革命。也有人认为,现有的液态锂离子电池从上世纪70年代开始相关理念和实证试验就在齐头并进推进,但真正开始商业化应用是在90年代。全固态锂离子电池大致是从2010年前后开始广受关注的,相对应,其商业化应用也可能得到2030年前后。但在我们看来,技术的发展自进入21世纪以来一直呈现出加速度发展状态,这从IT技术的巨大进步就可见一斑。只要制造固态电池所需材料的资源不是如白金(燃料电池催化剂的核心用材)般那么稀缺和昂贵,其他都不是问题。
综合来看,锂离子电池及其相关材料产业已经进入到了技术制胜的发展阶段。技术制胜的根本在于新材料技术的开发和应用。
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