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特斯拉采用的锂電池真的安全嗎?

時間:2015年12月10日 信息來源:本站原創

 

首先糾正一個概念,“锂電”是我們一般說的“锂離子電池”的簡稱,而有些人說的“鐵電”,其實是使用磷酸鐵锂爲正極材料的锂離子電池,它是“锂電”的一種。

  特斯拉为什么使用松下 18650 锂电池?

  OK,現在開始回答,先說簡單版通俗型摘要:

  聚财彩票特斯拉使用的松下 18650 锂电池,以 NCA 为正极,并且设计了复杂的电池管理系統,从而尽可能保证和提高了电池工作的高效性与安全性。至于是否绝对的安全,这个无法回答,你如果想说自燃,我还想说汽油车夏天也自燃呢。

  

  对于纯电动汽车(不考虑插电混动以及纯混,人家可以靠汽油开挂),我们最最纠结的是什么?里程焦虑,就是开不远,因为电池的能存储的能量密度太低,车用电池成组后现在一般也就 100~150Wh/kg 的能量密度,汽油的这个数值大概是 10000……所以哪怕你像乌龟一样背一车电池都不见得解决问题。大家天天吐槽电动汽车天天充电跑不远半路没电了怎么办,都是能量密度太低给害的。

  現在電池技術的最大短板,就是能量密度太低,落後于摩爾定律無窮遠……別扯那些锂空什麽的,即使它們能量密度也不夠高,關鍵是離實用還遠……

  所以至于为什么不采用磷酸铁锂电池,我想说,主要原因,应该是容量(Capacity 单位是 Ah),以及能量(Energy,即容量的 Ah 乘以电压,得到 Wh)偏低(磷酸铁锂容量比三元低一点,电压还低,只有 3.4V,所以乘出来的能量就更低了)。

  實際的汽車用電池組都是串並聯組合出來的,需要用串聯來提高電壓,此時,單節單池的電壓以及不同電池之間的容量一致性顯得非常重要,光說容量低是不嚴謹的。

  本人的工作就是在國內某研究所做磷酸鐵锂的某升級産品的研發,還同時亂看一些其它材料,锂電池和電動汽車的東西,所以在這裏答一下。

  (現在開始華麗地半學術地展開斯米達)

  要對比幾種正極材料,我們就必須引入這個圖,即五個重要性能判據:

  

  Power 功率,Life 壽命,Cost 成本,Safety 安全,以及 Energy 能量。

  对比的材料是 NMC/NCA 三元材料 /NCA,LCO 钴酸锂,LFP 磷酸铁锂,LMO 锰酸锂。NCA 和 NCM 比较相近,算是材料中的近亲,因此在这里归为一类说。

  LCO = LiCoO2 , layered, NMC = LiNixMnyCozO2 , layered, NCA = LiNi1-y-zCoyAlzO2 , layered, LMO = LiMn2O4 spinel, LFP = LiFePO4 olivine

  從這個圖中,我們可以看出:

  LFP 材料

  Energy 能量最低(悲剧,容量低是一方面,3.4V 的低电压才是问题,反面例子就是镍锰酸锂尖晶石,电压 4.7V)。篇幅所限,就不在这里放充放电曲线了。

  Power 功率一点也不低(在鄙研究所自制的中试级磷酸铁锂,5C 可以做到 130mAh/g 滴(当然 PHOSTECH 的也可以......)。包碳 + 纳米化材料倍率性能还是很强大的!

  Life 壽命和 Safety 安全性最优,这主要得益于该材料中聚阴离子 PO43-的结合作用,使得氧结合的更好,与电解液的反应活性低,不像三元材料那样更容易出现一些产生氧气鼓泡等现象。壽命上,一般认为可以>4000 次循环。

  Cost 成本,磷酸铁锂还不错,成本上仅次于 LMO 锰酸锂材料(这个东西,空气烧,锰源又便宜),第二有竞争力。磷酸铁锂的原料,磷铁锂都比较便宜,但是做成纳米粉需要一些成本,热处理又要在惰性气氛下进行,种种工艺要求,导致该材料的成本(国产的大约 10W/t)不像 LMO 那么低(6~7W/t),但是比起 NMC(13W/t),LCO(更贵)还是便宜一些的。

  原因:钴比鎳貴(我國貧钴啊有沒有),鎳比錳鐵要貴,用什麽原料,有什麽成本。

  然后再对比分析以下 NCM/NCA 材料

  能量最有优势(电动汽车就想跑远点,这个最重要)。此外随着高镍 NCM 材料的研发推出,这个材料的能量密度还能有进一步的提升

  功率还可以(其实也够用了,对于纯电动汽车,能量比功率特性更为重要,对于丰田 Prius 这种混动车,功率特性才更重要,但前提是能量不能太挫)

  壽命,也不错。之前的时候,三元材料可能壽命在 1000 次左右,但是近几年来随研发工作的进展,该材料的壽命已经可以达到 2000 周(好像标准是还能保持 80%还是多少,记不清了),这就已经很可观了,比如你电动汽车,一天一充,一年 365 次,2000 次够你 6 年了,好多人这时都打算换车啦。

  成本有點高(先承認這點)。

  毕竟用了些镍钴金属,成本高点正常,但是这个材料至少比 LCO 钴酸锂便宜,所以以后在日常电子消费品领域,取代 LCO 材料还是比较有前途的。

  安全差,尤其是相对于磷酸铁锂而言,NCM/NCA 材料充电时会往外冒氧气,使用中出事的可能性也高于 LFP 材料,三元材料电池安全性一直存在一些问题。

  但是说到这里,电池里不只有正极材料,我们还可以通过电解液成分调节,隔膜优化(陶瓷隔膜神马)以及优化电池控制系统(冷却,安全防护)来减轻这个问题。虽然 NCM/NCA 材料的安全性一直算是个问题,但是还是有提高的空间和解决的办法的。说能完全解决安全问题的,我认为都是在耍流氓。电池控制系统,是尽可能提高安全度,不可能保证 100%安全。

  

  哪個更安全?

  所以在此对比一下这两个材料,最重要的能量密度上 NCM/NCA 完胜,壽命上 NCM/NCA 不差,安全上 NCM/NCA 差些,但是不严重,功率不算太重要,两者都不错,成本上 NCM/NCA 高一点。

  但是在这里注意了:成本上 NCM/NCA 高,是单位质量的成本 (rmb/kg)。

  考虑到单位质量的 NCM/NCA能量密度高(Wh/kg),所以折合成单位能量的成本的话(rmb/Wh),NCM/NCA 还更有优势一些,所以从单位材料的成本来单纯计算,结果可能是比较有欺骗性的。

  说到这里,我忍不住要吐槽:你们天天嫌电动车贵,就是因为电池用的多,就是因为单位能量的成本(rmb/Wh) 这个数太高,其实真的很难降啊,我们都快喝西北风了啊啊啊啊==

  另外一点,就是磷酸铁锂放电平台太平,不好做电池控制系统啊,NCM/NCA 这方面就要好些。

  不過作爲一名磷酸鐵锂研究狗,我也得爲我們的材料說幾句話:在追求安全性、倍率性的場合,磷酸鐵锂電池還是有優勢的,尤其是請天天吵著電動車、電池不安全的人多爲我們磷酸鐵锂投票。

  此外磷酸鐵锂不需要用鎳钴這些玩意,對于國家資源安全是有所幫助的(好吧,其實也用不太多,不過這産業一旦大了用量也可觀);

  还有,磷酸铁锂材料毕竟壽命还是最好的,所以在某些要求时间的场合,它有优势(比如有的电池便宜,但是壽命可能只是磷酸铁锂的一半不到,折合使用时间后成本就不一样了,我才不告诉你是 LMO 呢),大家要学会算账。

  在一些能量密度要求不是特別高的場合,磷酸鐵锂還是有優勢的,比如儲能等新領域。當然,如果你對高電壓磷酸錳鐵锂材料有興趣的話,我只想說四個字:請聯系我。

  所以,說來說去,爲了讓純電動汽車跑的更遠,能量密度更高的電池更受青睐。


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