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锂电池为什么不能兼顾高功率和高能量密度?  [复制链接]

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【JFD专栏】锂电池为什么不能兼顾高功率和高能量密度?
来源:高工锂电网   发布时间:2017-12-05 15:09      设置字体:大中小
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摘要:PEMFC系统可以同时兼具高能量密度和高功率密度,而这个特点则是任何一种二次电池都不可能具备的,其根本原因在于封闭体系和开放式工作方式的本质区别。而同时兼具高能量和高功率的工况特性,恰恰是现代汽车对动力系统的最基本技术要求。


2.3锂离子电池倍率与燃料电池功率问题

2.3.1客观分析锂离子电池的快充问题:对于锂离子电池纯电动汽车,充电难目前仍然是个很大的问题,因而“快充”也成了很多厂家的噱头。笔者个人认为,锂电的快充问题需要从两个层次进行分析。

从电芯层面而言,锂离子电池的倍率性能一方面受到正极/电解液/负极电极材料搭配体系本征传输特性的制约,另一方面极片工艺和电芯结构设计也对倍率性能有较大影响。但是从最本征的载流子传导与输运行为而言,锂电并不适合“快充”。锂电体系的本征载流子传导与输运行为取决于正负极材料的电导与锂离子扩散系数以及有机电解液的电导率这几个主要因素。

基于嵌入式反应机理,锂离子在正极材料(一维离子通道的橄榄石,二维通道的层状材料和三维通道的尖晶石正极材料)和负极石墨负极材料(层状结构)中的扩散系数普遍比水系二次电池中的异相氧化还原反应的速率常数低数个数量级。而且,有机电解液的离子电导率比水系二次电池电解液(强酸或者强碱)低两个数量级。

锂电的负极表面有一层SEI膜,实际上锂电的倍率性能很大程度上受到锂离子在SEI膜中扩散的控制。由于有机电解液中粉末电极的极化相对水系要严重得多,在高倍率或者低温条件下负极表面容易析锂而带来严重的安全隐患。另外,在大倍率充电条件下,正极材料的晶格容易受到破坏,负极石墨片层同样也可能受到损害,这些因素都将加速容量的衰减,从而严重影响动力电池使用寿命。

因此,嵌入式反应的本质特征决定了锂离子电池并不适合高倍率充电。研究结果已经证实,快充快放模式下单体电池的循环寿命将大幅下降,并且在使用后期电池性能显著衰减。

当然了有读者可能会说,钛酸锂(LTO)电池不是可以大倍率充放电吗?钛酸锂的倍率性能可以从其晶体结构和离子扩散系数得到解释。但是,钛酸锂电池的能量密度很低,其功率型用途是依靠牺牲能量密度取得的,这就导致了钛酸锂电池单位能量($/Wh)成本很高,低性价比决定了钛酸锂电池不可能成为锂电发展的主流。事实上,日本东芝SCiB电池这几年低迷的销售态势已经说明了问题。

在电芯层面,可以从极片工艺和电芯结构设计角度来改善倍率性能,比如将电极做得比较薄或者增加导电剂比例等措施都是常用的技术手段。更有甚者,甚至有厂家采用取消电芯中的热敏电阻并且加厚集流体这样的极端办法。而事实上,国内很多动力电池公司都将其LFP动力电池在30C甚至50C的高倍率数据作为技术亮点。

笔者这里要指出的是,作为测试手段无可厚非,但是电芯内部到底发生了哪些变化才是关键。长时间高倍率充放,也许正负极材料结构已经被破坏,负极早已析锂,这些问题需要使用一些原位(In-Situ)的检测手段(比如SEM,XRD和中子衍射等)才能搞清楚。很遗憾的是,这些原位检测手段在国内电池企业几乎没有应用的报道。

笔者这里还要提醒读者注意锂电充电和放电过程的区别,与充电过程不同的是,锂电在较高的倍率下放电(对外做功)对电池造成的损害并没有快充那么严重,这点跟其它水系二次电池类似。但是对电动汽车的实际使用而言,高倍率充电(快充)的需求无疑要比大电流放电更加迫切。

上升到电池组的层面则情况将更加复杂,在充电过程中不同单体电池的充电电压和充电电流并不一致,必然造成动力电池的充电时间要超过单体电池。这就意味着虽然采用常规充电技术也能在30分钟内将单体电池充电至容量的一半,但电池组肯定会超过这一时间,这在一定程度上意味着快速充电技术的优势并不是十分明显。

另外,在锂离子电池的使用(放电)过程中,其容量的消耗与放电时间并不是线性关系而是随时间加速下降。比如某款电动汽车满电的行驶里程为200公里,那当它正常行驶100公里后,动力电池可能还剩下80%的容量,当电池容量剩下50%时,电动汽车也许就只能够行驶50公里了。锂离子电池的这种特性告诉我们,仅仅将动力电池的电量充到一半或者80%,并不能够满足电动汽车实际使用需要。比如Tesla宣传较多的快速充电技术,在笔者看来其实也是噱头大过实用,而且频繁的快充必将恶化电池的使用寿命和性能,并且带来严重的安全隐患。

既然锂电本质上就不适合快充,那么理论上而言换电模式可以弥补其快充缺点。虽然将动力电池设计成可插拔式会带来整车结构强度问题以及电气绝缘方面的技术难题,而且还有电池标准和接口的超级难题,但笔者个人认为,这个模式不失为解决锂电快充难题的一个技术上(也仅仅是在技术层面上而言)比较可行的办法。

在笔者看来,“电池租赁+换电模式”之所以在全球范围内都还没有成功先例,除了消费习惯的问题(车主认为电池跟车一样都是其私有财产),主要障碍在于隐藏于技术标准背后的巨大利益分配问题。在高度市场化的西方国家,解决这个问题的难度要比在中国大得多。笔者个人认为,换电模式未来在我国公交汽车、出租车或者共享汽车这几个纯电动汽车集中使用的领域,有可能会有较大的发展空间。

2.3.2燃料电池的高功率特性:相对于锂离子动力电池的快充难题,燃料电池加注氢气的问题要容易不少。目前几乎所有的FC-EV,都可以在三分钟内加满氢气。虽然三分钟比常规的加油时间要长点,但相对于特斯拉6小时的普充/半小时的快充,三分钟显然不值一提。但是将锂电的快充问题和燃料电池加氢进行对比,在笔者看来并不恰当。因为电动汽车充电和电网的结合很容易,而燃料电池的加氢问题,基础设施建设难度远比建充电站要大得多。

说到倍率性能,笔者这里再讨论下锂电和燃料电池的功率密度问题,因为倍率实际上也就是功率问题。在技术上,锂电可以采用一些工艺措施(比如将电极做得很薄或者增加导电剂含量等等)实现较大倍率充放电,但是这些技术措施必将牺牲电池的能量密度。

也就是说从根本上而言,锂电单体电芯是不可能同时兼具高能量密度和高功率密度的。比如,A123的AHR32113单体电芯倍率性能非常优异,在40C的超高倍率测试条件下的功率密度可以高达2.7KW/Kg,但其能量密度仅仅只有70Wh/Kg而已。又比如,i-Phone7的软包电芯能量密度已经达到了250Wh/Kg的水平,但是它的倍率性能就比较差只能够在低于0.5C的低倍率充放电。

锂电池为什么不能兼顾高功率和高能量密度?(第1页) -

但是笔者这里要强调的是,燃料电池可以很容易同时兼具高能量和高功率特性,这正是其独特的开放式工作原理决定的。PEMFC电堆是电化学发生的场所,其独特的异相电催化反应过程使得不管是氢的电化学氧化还是氧的电化学还原,都可以在Pt/C催化剂表面获得较高的交换电流密度。

事实上,目前Toyota和GM的新一代PEMFC电堆,在实际工况下(单电池0.6-0.7V)电流密度普遍接近1A/cm2的水平,比目前国内广泛使用的LFP动力电池在1C倍率下的电流密度高出大约两个数量级。

ToyotaMirai的PEMFC系统的能量密度超过350Wh/Kg,而功率密度已经达到了2.0KW/Kg。相比之下,TeslaModelS的锂离子电池系统的能量密度为156Wh/Kg,而功率密度则仅有0.16KW/Kg比Mirai低一个数量级!PEMFC电堆是单电池按照压滤机方式组装起来的,其功率可以通过增加单电池数量而提升(非线性关系)。而PEMFC的能量密度则取决于储氢系统的储氢量,同样也可以通过增加储氢罐体积或者数量而获得提升。

也就是说,PEMFC系统可以同时兼具高能量密度和高功率密度,而这个特点则是任何一种二次电池都不可能具备的,其根本原因在于封闭体系和开放式工作方式的本质区别。而同时兼具高能量和高功率的工况特性,恰恰是现代汽车对动力系统的最基本技术要求。
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