試論各家電動車的電池技術

電動汽車自上個世紀末現身至今,續航能力(電池容量)一直是阻礙其發展的主要原因。隨著電動車技術的發展,各大廠商都在積極地布局,以獲取未來發展的空間。科技的飛速發展使得新技術層出不窮。本期我們為大家盤點各家電動車的電池技術,以便更了解電動車技術發展的趨勢。在享受科技帶來的便利同時,我們要以更加包容的心態接受新技術,只有當動力電池性能得到改善、成本大幅降低、規模化應用之後,才能帶動其他較為成熟的環節的大力發展。

首先,我們來了解一下電池的種類

第一個,蓄電池。它是把化學能直接轉換為電能的裝置,可以使用可逆的化學反應來進行再充電。它的工作原理:充電時利用外部的電能使內部活性物質再生,把電能儲存為化學能,需要放電時再次把化學能轉換為電能輸出,比如生活中常用的手機電池等。以鉛蓄電池為例,簡單地說就是在放電的時候,正極的氧化鉛得到電子,而負極則由金屬鉛失去電子。充電的時候則相反。

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普通鉛酸蓄電池

現在的電動汽車,無論是純電動車還是混電動車,基本都是用的蓄電池。因為相比其他電池,蓄電池的發展時間更長,技術更成熟,同時成本更低。但蓄電池的缺點也十分明顯,它的能量密度太低了,平均1千克蓄電池不足0.1千瓦時,也就相當於0.36MJ/Kg,而汽油的熱值是46MJ/Kg。即使電動機的能量轉換效率是汽油機的3倍,也仍有40餘倍的差距。相當於1千克汽油乾的事,你要拿40千克的電池來辦。

蓄電池低能量密度的特點導致了現在的電動車重量居高不下,因為其光電池就重約一噸。而且還只相當於30多升汽油。

第二個,燃料電池。它是一種將存在於燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。它和蓄電池的工作原理比較相似,但蓄電池是將電能儲存起來,其化學反應可逆。燃料電池是在發電,其化學反應不可逆。燃料電池的起步較晚,所以技術相對而言沒有那麼成熟。日本研究燃料電池幾十年了,也沒有將燃料電池技術大規模商用化。反而在我國,隨著天然氣使用的進一步普及,肯能會給燃料電池的發展帶來新的活力。要論能量密度,燃料電池能將燃料的大部分能量轉化為電力,能量密度當然非常高。

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第三個,超級電容電池。電容,這東西在生活中很常見,她就是一個儲電源器件,其作用就是儲存電荷,然後在需要的時候釋放。但是一般的電容所儲存的電荷非常少,能量密度甚至遠低於蓄電池。不過近年來隨著對超級電容的研究,電容能儲存的電量變得越來越大,現在已經可達10KWh/Kg,如果算上能量轉化效率,這種能量密度已經跟汽油的效率相差不多了。關鍵的是超級電容電池充電只需要幾分鐘,這對比蓄電池來說要好太多了,而且它能大電流放電,這又是一大優點。但超級電容電池現在技術依然不太成熟,而且成本太高。

下面我們來了解一下主流電動車型的電池

首先,行業標杆特斯拉model s。目前的特斯拉Model S採用的是來自松下的18650電池,其電池板共包含了7000多節18650鈷酸鋰電池,重達900公斤。鈷酸鋰電池,也是一種蓄電池,結構穩定、比容量高、綜合性能突出、但是其安全性差、成本非常高,主要用於中小型號電芯,標稱電壓3.7V。實際上,特斯拉選擇了一種比較直接,也比較保險的方式。鈷酸鋰電池是一種比較老的技術,非常成熟,成本也相對較低。但由於其安全性較差,所以不得不用較小型號的18650電池,這樣才不至於一發生意外就引起整個電池的爆炸。當然,小型化的代價是總重量增加以及成本的增加。因為每一個單體電池都要設置感測器,感知每塊電池的工作狀態和溫度情況,由電池控制系統進行控制,防止出現過熱短路溫度差異等危險情況。 使用較小的單體電池,是特斯拉體重和價格居高不下的原因。

特斯拉model s的電池,密密麻麻的18650電池竟然有7000多顆

再來看一看比亞迪e6的電池。比亞迪e6使用的是磷酸鐵鋰電池,從本質上講它仍然是一種蓄電池,它不同於特斯拉使用的鈷酸鋰電池的是,它的正極材料使用的是磷酸鐵鋰,而鈷酸鋰電池使用的是鈷酸鋰。現在兩種電池的負極都是用的氫,當然是被儲氫材料吸附的氫。磷酸鐵鋰電池即使電池內部或外部受到傷害,電池不燃燒、不爆炸、安全性很好。而且循環壽命更好,能達到2000次,這就大大增加了它的使用壽命。由於鈷的價格很高,磷酸鐵鋰電池對比鈷酸電池成本更低。得益於較高的安全性較高,磷酸鐵鋰電池可以把電池單體做得更大,這就意味著更高的能量密度和更低的成本。但畢竟磷酸鐵鋰電池是一個較新的東西,技術肯定比不上鈷酸鋰電池成熟。所以比亞迪在電池方面已經做得夠好了,把一個新技術做得可以民用了。

比亞迪e6的電池,由90塊鐵電池單元組成

現在的大部分混合動力車都是用的鎳氫電池,以豐田普銳斯為代表的很多混合動力汽車均採用此類電池作為儲能元件。由於電池單體電壓僅為1.2V,是鋰電池的1/3,因此在需求電壓一定的情況下,其電池組的體積要比鋰電池大上一些。鎳氫電池具有「記憶效應」,即電池在循環充放電過程中容量會出現衰減,而過度充電或放電,都可能加劇電池的容量損耗。但是這一點對於擁有擁有發動機的混合動力車來說並不重要,因為混合動力車的發動機會經常對電池進行充電。正是由於鎳氫電池的低成本,才會受到混合動力車的青睞。

現在市售的電動車,無論是混合動力車和純電動車,其電池都是蓄電池。無論怎麼改進蓄電池都有兩大致命弱點,第一,非常低的能量密度,第二,很長的充電時間。我們來看一下蓄電池的充放電原理就清楚。電動汽車用的蓄電池在放電的時候都是由氫原子放出一個電子,經過導線和電動機,流到正極,也就是鈷酸鋰和磷酸鐵鋰這一端。在這個過程中,就只有氫原子的電子起了作用,其他的所有包括儲氫材料、電解液等其他所有輔助材料都是這個反應必備的鋪墊。相當於說,只有一個氫原子是主角,其他所有的都是配角,大量的重量被浪費掉了。在充電的時候,這個過程就會反過來,一旦充電過快,電池兩級的物質就可能發生不同化學反應從而變成其它物質,導致電池使用壽命降低。

電池技術前瞻

未來電動汽車的電池依然會在三個方向上發展:蓄電池、燃料電池、超級電容電池。

在蓄電池方面,人類的研究已經進行了百餘年了。各家車企也在加緊研製新的蓄電池,在未來幾年內,蓄電池依然是純電動車的絕對主力。即將上市的特斯拉model3將對電池進行升級,其一,加大單個電池,不知道安全性是否仍能保持,不過這點不重要。其二,正極材料將使用硅石墨烯,這將大大增強正極的儲氫量,這是因為石墨烯能吸附更多的氫。現在,石墨烯的價格依舊異常昂貴,且產量稀少,不知道特斯拉怎麼解決這一問題。不過增強安全性與增加儲氫量是蓄電池發展的趨勢。

現在,各個汽車廠商只是提供了電池解決方案,蓄電池再怎麼改進也不是黑科技,它的儲能極限已經快被人類挖盡。要想增強電池的性能,就必須依靠新的科技。

在燃料電池方面,豐田走在了世界的前列,2015年採用氫燃料電池動力的豐田Mirai就已經上市,然後就沒有然後了。隨著氫氣製造和加氣站等問題的暴露,豐田的氫燃料電池似乎走進了死胡同,但畢竟豐田的燃料電池技術是發展起來了。在我國,應該發展的燃料電池是天然氣燃料電池,我們畢竟有南海的天然氣資源和直通俄羅斯的天然氣管道,但在有天然氣內燃機的情況下,天然氣燃料電池似乎並不熱門。所以,在我國似乎沒有企業去發展燃料電池。不過,燃料電池終究還是要依靠燃料來進行發電,在目前節能減排的大環境下市場有限。

豐田Mirai

從豐田Mirai的結構圖中我們可以看出,豐田依然只是提供了一個解決方案,並沒有什麼黑科技。儲氫依然使用的儲氫罐,壓力大了容易爆炸,壓力小了,嘿嘿,氫氣的密度可是很低的。這就導致了它的最大功率只有113千瓦,必須要靠動力電池來提供額外動力。難怪Mirai就沒有然後了。

石墨烯,這個不起眼的小玩意,能給未來的能源和汽車帶來怎樣的變化呢?

超級電容電池。筆者認為有必要再跟大家解釋一下它的優點。

第一,在目前,它的能量密度就能與化石燃料相媲美;

第二,短至幾分鐘的時間就能充滿電;

第三,高達數千次使用壽命;

第四,絕對環保無污染;

第五,瞬間放電能力極好,而且不影響壽命。這些優點直接讓它與其它電池拉開了巨大差距,誰掌握了這項技術就將贏得未來的電動汽車市場。但現在沒有一家車企宣布將用它來做汽車的能源,這是為什麼呢?這個話題留給下期為大家解答吧。關注《車聯社》關注汽車科技創新與產業革命趨勢!微信公眾號:autoap

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