中國儲能網訊：在電動汽車越來越普及的今天，生活中經常會見到各種品牌各種檔次的電動汽車，隨著產品線的不斷延展，EV市場不斷細分，比如最近頻頻發(fā)布的純電動SUV，包括云度π1，Tesla model X，BYD宋等車型。絕大多數消費者日常行駛距離不足80km，但卻希望續(xù)航里程能達到500km以上，為何純電動還是叫好不叫座呢，究其根本原因還是因為純電動汽車技術的進步還未能達到預期，最重要的就是續(xù)航里程無法滿足用戶需求，充電速度趕不上加油速度。
圖1 主流車型最大續(xù)航里程統計
這里就要提到一個概念“里程焦慮”，就是指駕駛電動汽車時因擔心突然沒電引起的精神痛苦或憂慮。那么如何化解里程焦慮呢?今天就從電池的角度去解讀下。
化解里程焦慮最直接的就是提高電動汽車的續(xù)航里程，核心就是提高電池組和單體電池的能量密度，另外就是做快充電池，例如東芝最近推出的超級快充鈦鈮電池。
如何從電池的角度解決里程焦慮
我們可以看下若特斯拉model S或者model X 18650電池替換為最新的21700電池，續(xù)航里程的增加情況：電池容量增幅估計為30%，由于21700的體積比18650增加46%，考慮電池體積增加與容量的非線性關系并作保守估計取為30%的電池容量增幅。
圖2 18650換裝21700續(xù)航預測
目前主流動力電池企業(yè)能量密度都已突破180wh/kg,以云度π1搭載的比克18650圓柱電池為例，其能量密度已經接近250wh/kg。下圖是比克在圓柱電池體系的開發(fā)路線圖。
圖3 比克圓柱電池開發(fā)路線圖
由上面路線圖可以看出，其實想要提高能量密度還是要從電池材料上下功夫。下面分幾個重要的方向詳細聊聊電池能量密度的提升。
正極
從正極的角度考慮，目前使用克容量更高的高Ni三元材料NCM622,811或者更高容量大NCA材料是電池企業(yè)的必經之路。
另外一點，開發(fā)高電壓正極三元材料對于提升能量密度也會有顯著的效果，下圖列舉了不同比例的NCM三元材料在20Ah軟包電池中不同上限電壓下所能達到的能量密度。
圖4 NCM材料不同電壓和負極下的能量密度對比
目前高電壓體系還是有一些問題沒有解決，比如對循環(huán)壽命的影響。以下是高Ni體系600次常溫循環(huán)后不同上限電壓的容量保持率對比。高溫循環(huán)衰減更為嚴重。
圖5 高Ni體系NCM不同電壓循環(huán)保持率對比
最后我認為非常重要的就是在正極體系設計中應盡量減少非活性物質的使用量比如binder，導電炭等。這就要求輔助材料等性能需要進一步提升才能減少用量，比如超高粘結力的PVDF和SWCNT等材料的應用。借此，三元體系loading可以做到接近99%等水平。
負極
傳統的石墨類負極材料已經不能滿足能量密度增長的需求，從負極的角度考慮提升能量密度產業(yè)界也已經達成一致，那就是采用硅負極體系。
圖6 硅復合負極與常規(guī)石墨對比
圖7 日立化成硅復合材料數據對比
硅材料的比容量4000mAh/g固然高的超乎想象，但純硅還是無法產業(yè)化，主要原因是：體積膨脹達300%以上，材料粉化脫膜循環(huán)衰減非常嚴重;導電性差，不可逆容量大，首次效率很低。
所以需要很好的解決以上兩點問題才能大規(guī)模使用硅負極材料，最好的辦法就是硅與碳形成的復合材料，因為碳材料具有較高的電子電導與離子電導，可改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循環(huán)過程中的體積變化;同時，碳也能貢獻一定容量。目前最適合作為硅碳復合材料基質的碳主要有石墨、中間相碳微球、石墨烯和碳納米管等。
適合商業(yè)化的目前分為兩類硅碳復合材料SiO和SiC,為了兼顧成本和性能，需要與商業(yè)化負極石墨材料混用。目前商業(yè)化的Si負極材料大多用于圓柱型電池體系，因為篷帳還是無法與普通石墨達到相同水平，有圓柱鋼殼束縛極片結構，電芯的循環(huán)壽命可以得到很好的發(fā)揮。負極容量400以上的18650-3300mAh循環(huán)性能可以做到1000次左右了。
另外，與正極材料一樣，提高活性材料的loading，降低導電劑，粘結劑的使用量也是非常重要的方面。
隔膜
隔膜在鋰電池中扮演著正負極絕緣體、離子導電體、離子自由傳導的角色，可以提升鋰電池的安全。隨著正負極能量密度的不斷提高，隔膜性能也必須增強。從隔膜的角度去提升電池能量密度，可能作用不是很大，各個隔膜公司都相繼推出了適用于高能量密度電池體系的20um以下的高安全性涂覆隔膜。從理想化的角度說，更薄但強度又更好的隔膜是提升并保證高能量密度的關鍵，從隔膜孔隙結構來說，較小的孔徑和更均勻的孔徑分布有助于更長的循環(huán)壽命。
快充技術
快充技術對于解決里程焦慮可以說是立竿見影的，以下是快充和慢充的區(qū)別。
圖9 快充和慢充
由于電動汽車電池需要更大的充電功率，因此一般充電情況下要先將家庭220V交流電轉換為500V直流電，整個充電時長一般6~8小時。電動汽車快充是直接以大功率直流電來對電池進行充電，在30分鐘左右可以充 電至80%。為保護電池安全，超過80%后充電電流必須變小，充到100%需要較長時間。因此，由于需要特定的快速充電設備，電動汽車生產廠商通常擁有自己的快速充電樁或快速充電站以滿足消費者的需求。
超級充電站是特斯拉主推的充電方式，其充電速度是三種方式中最快的，充電電壓為380V，充電電流最大可接近200A，充電1小時足夠行駛約350公里，整個充 電過程最快能在一小時左右時間內完成。
開發(fā)新型先進電池
下一代更高能量密度>300Wh/kg的電池也都在開發(fā)中，如固態(tài)電池，鋰硫電池等。
圖10 高比能量電池技術
結語
隨著電池電機電控技術的發(fā)展我相信純電動汽車會越來越普及，里程焦慮的問題肯定會得到妥善的解決。當然這離不開產業(yè)鏈如電池原材料，電池設計，結構設計，充電設施等各個環(huán)節(jié)共同努力。剩下的只是一個時間問題。
責編：張珊珊
