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锂电池是人类的未来,但谁又是锂电池的未来?

锂电池是人类的未来,但谁又是锂电池的未来?

  锂离子电池特性(1)电压平台锂离子电池由于采用的正负极材料不同,其单体电池的工作电压范围为3.7~4V,其中应用规模较大的磷酸铁锂单体电池工作电压为3.2V,是镍氢电池的3倍、铅酸电池的2倍,超级电容,在特定领域有着不可替代的优势——例如轨道交通能量回收、塔吊能量回收、汽车动能回收装置;而在动力汽车领域,由于能量密度和成本的问题,无法成为未来可行的技术路线,(3)电池寿命短由于电化学材料特性的制约,锂离子电池的循环次数没有取得突破,以磷酸铁锂为例,单体电池循环次数可以达到2000次以上,成组后仅为1000次以上,而且,一旦锂动力电池经过十多年的发展,全产业链上下形成稳定、完整、成熟的配套后(产业配套是巨大护城河,整个产业链成熟起来,投资可能需要数万亿,这是任何其他新的技术路线难以逾越的障碍),锂动力电池的技术路线就更加难以动摇,(4)对环境影响较大锂离子电池采用轻金属锂,尽管不含汞、铅等有害重金属,被认为是绿色电池,对环境污染较小,但是锂电池技术路线内部还有多种技术路线,大致有钴酸锂、钛酸锂、锰酸锂、铁酸锂、三元电池等等,朋友们或许更关注这些技术路线哪一种更具有优势,(5)成本依然较高锂离子电池初期购置成本高,以目前公交车用动力电池主流产品磷酸铁锂电池为例,价格大约在2500元/kWh,随着电动汽车的普及,有望在2020年降低到1000元/kWh以下。

  初选先说钴酸锂:循环性能太差,且大量使用了极其稀有的金属钴,缺点太过明显,其宿命唯有淘汰,(6)对电网影响较大首先大规模应用纯电动汽车,由于充电需求较大,充电设备对电网的谐波干扰将会凸显,影响电网的供电质量;其次,在快充时,由于是大倍率充电,因此充电功率较高(乘用车在50kW、客车在150~250kW左右),对电网的负荷冲击较大,其特性类似于超级电容,这个致命缺点也阻碍其成为动力电池主流路线,故而也无法在初选中脱颖而出,超级电容器特性(1)极高的充放电倍率超级电容具备较高的功率密度,可在短时间内放出几百到几千安培的电流,充电速度快,可在几十秒到几分钟内完成充电过程,故而很少直接选用锰酸锂作为动力电池,而是同时添加其他材料形成改性电池,例如镍、钴成为镍钴锰电池,从而实现各项性能的均衡,(2)循环寿命长超级电容的充放电过程损耗极小,因此在理论上其循环寿命为无穷,实际可达100000次以上,比电池高10~100倍。

  这样的论述结果表明:锰酸锂也要被淘汰,(4)能量密度太低超级电容应用的瓶颈之一就是能量密度太低,仅为锂离子电池的1/20左右,约10Wh/kg,磷酸铁锂安全性高,寿命长,但是能量密度低,低温性能差,一致性差;三元电池能量密度高,一致性好,低温性能好,成本较低,但是安全性能差,循环寿命不如铁锂电池,超级电容与锂电池的比较本文尝试将当前技术水平下的超级电容与锂电池进行比较,从而对超级电容的特性有一个初步的轮廓了解,所以这两种技术路线的对决更有一种中国vs日韩的意味,因此铝空气电池具有质量轻,体积小,使用寿命长的优势。

  终于在今天我自认为有了一个较为清晰的认识,下决心完成这篇拖了一年多的稿子,好了,废话不多说,决赛打擂正式开始!决赛评价动力电池性能大致有以下7个维度:1、安全性2、能量密度3、循环寿命4、成本5、充电倍率6、电池单体一致性7、低温性能作为一种合格的技术路线,在以上任何一个方面都不能有太过鲜明的缺点,需要做到各方面的均衡才能是一种具有可行性的路线,目前尚处于实验室阶段,距离商业化推广还有一段不小的距离,以镍钴铝为代表的三元电池,则在180°就会分解并释放出气体,并且反应更加剧烈,(2)国内外技术路线关于汽车用动力电池技术路线,国内外各有不同,2、能量密度磷酸铁锂电池由于材料的缘故,放电平台的电压更低,只有3.2V;且压实密度很低,只有2.2~2.5左右,这些都导致了磷酸铁锂电池的理论能量密度不高,只有178wh/kg,在国外,汽车动力电池以三元(或称锰系)体系为主。

  这已经是相当了不起的成就,但已经逼近这一电池路线能量密度的理论上限,未来很难再有大的提升,“那么你究竟更加看好谁呢?”4三元动力电池技术路线三元电芯的应用领域结合其自身的特点,三元电池适合应用的场景为纯电动物流车、纯电动专用车(如环卫车)、新能源乘用车(如微型车),国内很多产商选择镍钴锰(NCM)三元锂电池技术路线,它的理论能量密度上线是280wh/kg,大疆无人机身上的锂电池就是使用的这种锂电池,当前80%的无人机锂电池由广东的厂商供应,纯电动物流车的这些特点正好与三元电池特性相吻合,在不久的未来,理想情况下能量密度可以做到230wh/kg以上,电池组整体的能量密度依然可以做到200wh/kg以上,比磷酸铁锂高40%左右

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