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锂离子电池:如何驱动将来
编纂:电池国外 更新于:2018-09-17 11:51:00 浏览:

        将来数十年,电动汽车将获得较大范围的开展。据IEA猜测,到2030年全球电动汽车保有量将从2017年的370万辆增加至1.3亿辆,年销售量将到达2150万辆。在这一场景下,年新增电池容量将从2017年的68吉瓦时增加至2030年的775吉瓦时,此中84%将用于轻型汽车。国外、欧盟、印度、美国的需求别离占到50%、18%、12%和7%。 

        已往二十年,跟着产能范围的扩大,主导电动汽车电池的锂离子电池手艺大幅提拔、价钱大幅降落,使电动汽车的性价比开端与燃油汽车一争高低。 

        枢纽驱动身分 

        自1990年问世以来,锂离子电池在消耗性电子产品、储能(家用、公用事业)、电动汽车行业得到了普遍的使用。跟着产能范围的扩大,其机能大幅提拔、价钱大幅降落。 

        未来,驱动锂离子电池的本钱降落和机能提拔的四个关键因素是:化学材料、电池容量、消费范围和充电速度。 

        化学材料。电池的机能受南北极化学材料的影响。阴极质料次要包罗锂镍锰钴(NMC)、锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂锰氧化物(LMO)和磷酸铁锂(LFP);阳极质料大多数接纳石墨,重型汽车中为增长轮回期限,也会利用钛酸锂(LTO)。NMC和NCA手艺的次要长处是能量密度更高,主导了轻型电池市场;LFP的能量密度低,但得益于更高的轮回期限和安全机能,它成为重型电动汽车(即客车)接纳的次要化学物质。化学材料对电池本钱有着较大的影响,接纳差别化学材料的电池,其价钱差异最大可到达20%。 

        电池容量与尺寸。电动汽车电池容量差别很大,在国外最为脱销的三款小型电动汽车的电池容量为18.3~23千瓦时;欧洲和北美的中型汽车电池容量在23~60千瓦时;大型汽车的电池容量在75~100千瓦时之间。电池容量越大、本钱越低。据估计,一个70千瓦时电池的单元能量本钱比30千瓦时电池低25%。 

        消费范围。扩大消费范围以实现规模经济是另一个主要身分。今朝典范的工场产能范畴约莫为0.5~8吉瓦时/年,大多数工场的产能约为3吉瓦时/年。根据单辆电动汽车20~75千瓦时的典范容量停止测算,单个工场的产能相当于每一年能够消费6000~40万个电池组。今朝,德国、美国、国外、印度等地正在新建一批产能更大的电池工场,此中包罗特斯拉年产能到达35吉瓦时的超等工场。 

        充电速度。当前手艺能够实现在40~60分钟内充电80%。这一诉求增长了电池设想的复杂性,好比低落电极的厚度,这会增长电池的本钱;低落电池的能量密度,从而收缩了电池的期限。美国能源部的一项阐发表白,改动电池设想以顺应400千瓦的充电将使电池本钱增长近一倍。 

        质料反动主导将来趋向 

        按照IEA的阐发,锂离子电池仍将在将来的二十年内占有主导,但其化学材料将逐步发作变革。 

        2025年前后,新一代具有低钴、高能量密度和阴极锂镍锰钴(NMC)811等特性的锂离子电池将进入量产。在石墨阳极中参加大批的硅,可将能量密度提高50%,而可以接受较高电压的电解质盐也将有助于提高机能。 

        2025年至2030年时期,锂金属为阴极、石墨/硅复合材料为阳极的锂离子电池可能会进入设想阶段,以至还能够引入固态电解质以进一步提高能量密度和电池安全性。另外,锂离子手艺可能会被锂氛围、锂硫等其他有着更高能量密度和更低实际本钱的电池所代替。但这些手艺的开展程度仍十分低,实践机能尚待测试。 

        2018年7月26日出书的Nature主刊上,一篇题为《间隔锂电子电池反动仅余十年》(Ten years left to redesign lithium-ion batteries)的文章指出:锂离子电池机能和价钱的演进速度正在放缓。形成上述成绩的主要原因包罗:在电极质料的晶体结构中, 能够贮存的电荷量将近靠近实际最大值;市场规模的增加难以持续带来大幅度的价钱低落。更蹩脚的是,今朝遍及接纳的电极质料,如钴和镍非常稀缺,且价钱高贵,假如没有任何新的变革,估计在2030~2037年间(或更早),钴和镍的需求量就会超越产量。另一方面,新的替换电极质料,如储量丰硕的铁、铜,则还处于晚期研讨阶段。文章号令质料科学家、工程师和经费赞助机构等加大对基于储量丰硕的铁、铜等质料的电极质料的研讨,不然,电动汽车的大规模开展将遭到限定。 

        经济性的权衡 

        影响电动汽车与燃油汽车本钱的主要因素包罗:电池价钱、车身巨细(影响燃料经济性与电动汽车的电池尺寸)、燃料价钱以及年行驶里程。 

        电池价钱方面,关于以锂镍锰钴811/石墨为电极质料、产能范围在7.5~35吉瓦时/年、电池容量为70~80千瓦时的电池而言,到2030年的本钱可降至100~122美圆/千瓦时,与欧盟(93美圆/千瓦时)、国外(116美圆/千瓦时)和日本(92美圆/千瓦时)的本钱降落目的非常靠近。 

        电动汽车与燃油车本钱的差异会跟着行驶里程的增长逐步削减,但电池的价钱和汽油的价钱对该差异的影响超越了车身巨细。比方,电池价钱即是400美圆/千瓦时,电动汽车的竞争力十分小,燃油汽车将是更经济的挑选。 

        假如电动汽车电池价钱较低,汽油价格较高,逐日行驶里程较高时,挑选小型的电动汽车或插电式混淆动力汽车比小型的燃油汽车更经济划算。比方,电池价钱为120美圆/千瓦时、汽油价格高于明天的程度,那么不管行驶里程的是非,纯电动汽车都将是更经济的挑选。假如电池价钱即是260美圆/千瓦时,则行驶里程超越3.5万千米/年,油价到达1.5美圆/升时,才是更经济的挑选。 

        关于大型电动公交车来讲,假如电池价钱低于260美圆/千瓦时,行驶4~5万千米/年的电动公交车在具有高柴油税制度的地域具有本钱竞争力。

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