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特斯拉使用的鋰電池是否安全?鋰電池原材料分析

來源: | 作者:admin | 分類:分析 | 時間:2016-10-05 | 瀏覽:8526
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       特斯拉使用的松下 18650 鋰電池,以 NCA 為正極,并且設計了復雜的電池管理系統,從而盡可能保證和提高了電池工作的高效性與安全性。至于是否絕對的安全,這個世界上本來就沒有絕對安全的汽車,汽油汽車也會爆炸。

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       對于純電動汽車,面臨最大的問題就是續航能力,因為電池的能存儲的能量密度太低。而現在電池技術的最大短板,就是能量密度太低。

  所以至于為什么不采用磷酸鐵鋰電池,我想說,主要原因,應該是容量(Capacity 單位是 Ah),以及能量(Energy,即容量的 Ah 乘以電壓,得到 Wh)偏低(磷酸鐵鋰容量比三元低一點,電壓還低,只有 3.4V,所以乘出來的能量就更低了)。

  實際的汽車用電池組都是串并聯組合出來的,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

  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:

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

  對比的材料是 NMC/NCA 三元材料 /NCA,LCO 鈷酸鋰,LFP 磷酸鐵鋰,LMO 錳酸鋰。NCA 和 NCM 比較相近,算是材料中的近親,因此在這里歸為一類說。

  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。

  Power 功率一點也不低。

  Life 壽命和 Safety 安全性最優,這主要得益于該材料中聚陰離子 PO43-的結合作用,使得氧結合的更好,與電解液的反應活性低,不像三元材料那樣更容易出現一些產生氧氣鼓泡等現象。壽命上,一般認為可以>4000 次循環。

  Cost 成本,磷酸鐵鋰還不錯,成本上僅次于 LMO 錳酸鋰材料(這個東西,空氣燒,錳源又便宜),第二有競爭力。磷酸鐵鋰的原料,磷鐵鋰都比較便宜,但是做成納米粉需要一些成本,熱處理又要在惰性氣氛下進行,種種工藝要求,導致該材料的成本(國產的大約 10W/t)不像 LMO 那么低(6~7W/t),但是比起 NMC(13W/t),LCO(更貴)還是便宜一些的。

  原因:鈷比鎳貴,鎳比錳鐵要貴,用什么原料,有什么成本。

  然后再對比分析以下 NCM/NCA 材料

  能量最有優勢。此外隨著高鎳 NCM 材料的研發推出,這個材料的能量密度還能有進一步的提升

  功率還可以(其實也夠用了,對于純電動汽車,能量比功率特性更為重要,對于豐田 Prius 這種混動車,功率特性才更重要,但前提是能量不能太挫)

  壽命。早先三元材料可能壽命在 1000 次左右,但是近幾年來隨研發工作的進展,該材料的壽命已經可以達到 2000 周,這就已經很可觀了,比如你電動汽車,一天一充,一年 365 次,2000 次夠你 6 年了,好多人這時都打算換車啦。

  畢竟用了些鎳鈷金屬,成本高點正常,但是這個材料至少比 LCO 鈷酸鋰便宜,所以以后在日常電子消費品領域,取代 LCO 材料還是比較有前途的。

  安全差,尤其是相對于磷酸鐵鋰而言,NCM/NCA 材料充電時會往外冒氧氣,使用中出事的可能性也高于 LFP 材料,三元材料電池安全性一直存在一些問題。

  但是說到這里,電池里不只有正極材料,我們還可以通過電解液成分調節,隔膜優化(陶瓷隔膜神馬)以及優化電池控制系統(冷卻,安全防護)來減輕這個問題。雖然 NCM/NCA 材料的安全性一直算是個問題,但是還是有提高的空間和解決的辦法的。說能完全解決安全問題的,我認為都是在耍流氓。電池控制系統,是盡可能提高安全度,不可能保證 100%安全。

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  哪個更安全?

  所以在此對比一下這兩個材料,最重要的能量密度上 NCM/NCA 完勝,壽命上 NCM/NCA 不差,安全上 NCM/NCA 差些,但是不嚴重,功率不算太重要,兩者都不錯,成本上 NCM/NCA 高一點。

  但是在這里注意了:成本上 NCM/NCA 高,是單位質量的成本 (rmb/kg)。

  考慮到單位質量的 NCM/NCA能量密度高(Wh/kg),所以折合成單位能量的成本的話(rmb/Wh),NCM/NCA 還更有優勢一些,所以從單位材料的成本來單純計算,結果可能是比較有欺騙性的。

  另外一點,就是磷酸鐵鋰放電平臺太平,不好做電池控制系統,NCM/NCA 這方面就要好些。

  此外磷酸鐵鋰不需要用鎳鈷,對于國家資源安全是有所幫助的;

  磷酸鐵鋰材料畢竟壽命還是最好的,所以在某些要求時間的場合,它有優勢。

  所以,說來說去,為了讓純電動汽車跑的更遠,能量密度更高的電池更受青睞。

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