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现在的电动车都是用锂离子电池吗,电动汽车用锂离子电池发展方向如何?

来源:宝鄂实业    2019-04-13 19:26    点击量:
目前,交通部门占美国温室气体排放量的29%左右(EIA,2009)。按照与往常一样的情况,2000年到2020年间,美国司机的排放量预计将增加55%(Friedman, 2003)。此外,由于石油资源迅速枯竭、油价波动以及对政治上不稳定的石油生产国的依赖,目前以化石燃料为基础的能源经济面临严重风险(Scorsati和Garche,2010)。这意味着运输系统对石油的依赖是不可持续的。由于全球变暖的影响,世界各国政府正在采取行动减少运输部门的温室气体排放(Bonilla和Merino,2010)。电动汽车的广泛使用——包括混合动力电动汽车(HEV)、电池电动汽车(BEV)和插电式混合动力电动汽车(PHEV)——可以改革运输部门并大幅降低石油消耗(Daniel等人,2011年;Zackrisson等人,2010年),以及温室气体排放然而,为了使电动汽车供应链可持续发展,需要解决几个关键问题。其中,一个明显的问题是电池生产的原材料的安全和供应。目前,关于电池制造所需的一些关键原材料供应的可持续性,有几个尚未解决的问题。几种电池类型在EVS中有很大的应用潜力,包括铅酸(LA)电池、镍氢(NIMH)电池。
 
 
电池和锂离子电池(BLISISHwitz,2010;王等人,2010;Wadiaet al,2011)。还有各种有前途的电动汽车替代电池技术,包括金属空气电池和钠电池(Wanger,2011;Wray,2009),但这些技术仍在开发中,尚未具有竞争力。目前,李离子电池和镍氢电池是EVS中常用的两种电池。NiMH电池是混合动力汽车(HEV)的主要无源电力(Majeau-Bettez等人,2011年);然而,相对于其他电池技术,目前具有明显性能优势的锂离子电池已经开始。锂离子电池很有可能在下一代电动汽车中使用,特别是随着PHEV和BEV的日益普及(Gruber和Medina,2011;Scrosati和Garche,2010,USDOE,2011)。此外,锂离子电池也可以在HEV市场中占有相当大的份额(UDOE,2010)。鉴于锂离子电池作为可持续运输动力源的潜力,本文着重研究锂离子电池生产中使用的关键原料锂。在设计供应链时,解决需求不确定性和市场状况随时间变化的问题是很重要的(Butler等人,2006)。考虑到锂对电动汽车未来的重要性,目前供应的不稳定性和不确定性使全球能源和环境可持续性目标处于危险之中。在这项研究中,在锂供应链中的几个关键问题进行探索,以确定主要风险领域。我们利用文献综述来讨论与锂供应链相关的知识现状。通过评估文献中的证据,这种分析旨在对这个课题提出更全面的观点,找出当前知识状态的差距,并确定今后的研究方向。
近年来,纯电动汽车的快充技术不断发展,“1个小时充满80%的电量”“30分钟充满80%电量”“20分钟充满80%电量”……未来的3~5年,纯电动汽车只要充电5分钟就能充满80%电量,大约能行驶300公里。
 
被称为“黑金”的石墨烯,在实验室的研发近年有了突破性的进展。汽车电池电芯加入石墨烯后,充放电效率会有显著的提升。专家表示,石墨烯在汽车电池上应用,填补了石墨烯高端应用的空白。而这种基于“电池+石墨烯”的快充技术不会停留在实验室,短则三年,长则五年便将走进市场,搭载在新能源汽车上。
 
那么,石墨烯这个被誉为“能彻底改变21世纪的黑科技”是如何运用在电池的快速充放电上?带着这个问题,记者采访了多家电池企业和电池专家。
 
文/广州日报全媒体记者周伟力
 
石墨烯就像电池的调味料
 
纯电动汽车改变人们的出行,而快充则会改变现有的纯电出行模式。续航里程一直被认为是纯电动汽车最重要的指标之一,但这也许不再是唯一。“电池+石墨烯”将改变纯电的快充时间,这也将释放纯电动汽车更大的潜力。
 
将电池和石墨烯结合起来,是近十年才陆续开展相关的研究。据专家介绍,电池的诸多性能指标当中,能量密度排在首位,直接决定续航里程,而续航里程的长短与消费者购买意愿成正比。一开始,石墨烯电池就是奔着提升能量密度去研发的。不能说没有收获,加入石墨烯之后,电池能量密度能提升5%~10%。但再往上,难以再有突破。这与研究人员最初预期20%~30%的能量密度大相径庭。
 
广汽研究院石墨烯应用研究创新工作站副首席专家毛文峰博士告诉记者,石墨烯只是一种添加剂。石墨烯与电池的关系,就像是调味料与菜品原料之间的关系。炒菜时,放点鸡精,可以提鲜,但不能放多,放多了,菜反而不好吃了。同样道理,在提升能量密度上,起到决定作用的还是电池本体,而非石墨烯这个添加剂。
 
正因为如此,毛文峰博士认为,“石墨烯电池”的概念是不成立的。科技进步,最忌喧宾夺主,不能因为添加了某种添加剂,就大张旗鼓进行注明,并广而告之,哪怕这种添加剂有光环在身。“我们在饭店点菜,从来没有看到过什么菜的菜名是以‘鸡精’开头的”“同样道理,不能因为电池应用了石墨烯材料,就称之为‘石墨烯电池’,更为准确的说法是‘电池+石墨烯’”。他认为,市场对石墨烯电池的追捧,已经超过其实际的技术水平,存在一定的泡沫。
 
赋予纯电出行新模式
 
新能源汽车电池快充时间的缩短,会直接改变现有的纯电出行模式:续航里程重要,但不再是唯一。毛文峰描绘他设想中的未来出行模式:纯电动汽车综合续航里程只有400公里,当电量耗尽时,找到快充电桩,5分钟就能够充满电。与汽油车2~3分钟的加油时间相比,5分钟的快充时间仍然比较长,但比起目前30~60分钟的平均快充时间,已经快上许多。
 
广汽新能源总经理古惠南持相同观点“快充模式一旦普及,纯电动车续航里程没必要600公里,甚至1000公里那么多,不需要那么大电池容量和能量密度”。消费者没必要为电池多买单,快充快走,使用体验与汽车加油没有不同。基于这一观点,在产品规划当中,有超过500公里的超长续航里程车型,同时也将提供纯电续航里程从300公里到500公里不等的车型,并有插电混动车型供消费者选择。
 
除了快速充放电,由于具备良好的导热性能,石墨烯能够提升电池的散热效果;载流子迁移率决定电导率,较快的载流子迁移率能提升元器件的工作速度;由于导电性能好,石墨烯还可以提升电池的功率密度。
 
广汽新能源技术中心主任许俊海表示,“我们现在的电池系统仍然保留温控系统,一定程度上增加电池重量,降低能量密度。但随着电池散热效果的提升,一旦去掉温控系统,电池能量密度会越级到一个新高度。”更为关键的一点,随着新技术应用,汽车企业能够腾出精力,关注以前关注不到的地方,尤其是电池的功能安全。许俊海口中的“新技术”就包含有石墨烯。
 
石墨烯的加入或能改变现有格局
 
“少即是多”,这是汽车设计与研发最高的境界。面对石墨烯这种获得诺贝尔奖的“新材料之王”,敢于做减法,需要莫大的勇气。但扎根于石墨烯领域的研发人员更多的是逼于无奈。
 
清华大学材料学院教授朱宏伟曾在接受采访时明言,如果石墨烯再找不到应用,无论是资本市场还是基础研发都会退潮。黎明前的黑暗到底还有多长,没有人能给出准确的时间。可以肯定,电池尤其汽车电池,是石墨烯公认最接近于应用的领域之一。
 
目前,在汽车电池领域,锂电池仍然是霸主。而根据材料不同,还分为磷酸铁锂、钛酸铁锂以及三元锂电池。市面上几乎所有新能源汽车都内置这三类电池,无论是新能源汽车企业的翘楚特斯拉,还是当前新能源汽车领军者的比亚迪,都在这个“局”中。
 
随着新能源汽车的全面提速,三种技术路线之间的淘汰赛已经分出胜负,磷酸铁锂和钛酸铁锂逐渐掉队,三元锂电池单独领跑。
 
石墨烯的加入,尽管不能在短时间内作为单一的品类彻底颠覆锂电池。但作为一种添加剂和催化剂,还是能够改变电池领域的现有格局,让磷酸铁锂看到逆袭希望。公开资料显示,国轩高科拟将“青岛国轩年产3亿Ah高比能动力锂电池产业化项目”调整为“青岛国轩年产2Gwh高比能动力锂电池项目”。产品类型由三元电池调整为磷酸铁锂电池。在近期接受投资者的调研过程中,国轩高科更表达了自己对磷酸铁锂电池应用前景的看法,随着技术不断迭代,其认为未来磷酸铁锂市场应用空间依旧非常广阔。

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