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锂离子电池升级,有望增加电动汽车续航里程添加时间:2019-07-04 09:15
    近年来,传统内燃机汽车所造成的环境问题和石油资源紧缺使人们将视野投向了新能源汽车。纯电动汽车以其能真正实现“零排放”而成为电动汽车的重要发展方向。锂离子电池凭借其优良的性能,成为了新一代电动汽车的理想动力源。
  
  与一次性锂电池相比,锂离子电池属于二次电池,可以反复充电使用。锂离子电池还具有重量轻、储能大、功率大、无污染等特点,在各个领域的应用也越来越广泛,比如我们平常用到的手机、平板、电动车里的电池就锂离子电池。
  
  对于一辆电动汽车而言,蓄电池充电设备是其必不可少的装备之一,也可以说是处于“众星捧月”的位置,而由于锂离子电池的优势,使得它在电动汽车和新能源领域又占据核心地位。
  
  但是目前锂离子电池电动车的广泛应用也存在着一些痛点难点,主要是由于锂离子电池的性能限制,包括锂离子电池的电池能量密度、安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应等。
  
  拿电池能量密度来说,市场上的电动汽车,大多数充一次电能开200多公里(官方叫做续航里程),如果开空调,那么续航里程就会缩短很多。影响续航里程的主要原因就是电池电量和车身重量,如果在目前电池能量密度的基础上,增加电池的电容量,也会增加车身重量,同时电池体积的增加对汽车空间也是一种挑战。
  
  总的来说,电动汽车发展目前遭遇瓶颈要归结于续航里程不足,但这个锅不能都让锂离子电池来背,电动汽车的充电方式也有不可推卸的责任。试问如果有“助攻”,谁还不能打个盹、喘口气。
  
  电动汽车的充电方式主要分为以下五种:
  
  1. 常规的充电方式。这种充电方式与传统的电动摩托车充电方式一样。不过这种方式的充电电流十分有限,只有大约15A左右。通常情况下充电时间比较久。相应的充电器的工作和安装成本比较低,简单易操作。由于在充电时只需要将车载充电头插到停车场或者家用的电源插座上,因此,充电过程一般由客户自己独立完成。
  
  2. 快速充电。这种充电方式是以150到400A的高充电电流在短时间内为蓄电池完成充电。相对于常规的充电而言,成本要高。所以快速充电又被称之为迅速充电或者是应急充电。其目的就是保证电动汽车在短时间快速充满电。这个时间通常与燃油车加油的时间是近似的。一般多用在大型充电站。
  
  目前特斯拉、保时捷、北汽新能源等一众国内外车企和供应商都在积极研发超级快充技术,像是保时捷首款纯电跑车Taycan的800V超级快充,4分钟即可充入100公里的行使里程。
  
  3. 无线充电。这种方式允许电动汽车在不使用电线或电缆的情况下、通过嵌入在道路和停车位的无线充电源板自动连入电网进行充放电。但是目前该技术还不成熟:设备成本高,需要大量的公共和私人投资,对充电环境要求严苛,维修费用大且远距离传输能耗较高。
  
  4. 更换电池充电技术。这种技术主要是在蓄电池电量耗尽时,用充满电的电池替换下已经耗尽点亮的电池,蓄电池回归服务站。电动汽车只需要跑租借电池即可。不过这种方式需要电动汽车统一电池规格,并且在没有发展成熟之前,消费者也不会轻易冒险去随便使用其他电池。
  
  5. 移动式充电方式。这是最理想的充电方式。主要的方式是在汽车巡航的时候就能给汽车充电。客户就没必要去寻找充电桩,并花费时间去充电。这种充电方式需要MAC系统。并预先将其埋在一段路下面,即充电区。这种充电方式成本巨大,目前仍处在理论研究阶段。
  
  除了上面的几种方法,还有人曾脑洞大开提出过修建充电公路的想法,将充电线圈植入公路,形成电磁场,电磁场通过与一个线圈发生反应,为汽车充电。但对现有公路进行改造和安装必要的基础设施费用极高,在相当长的一段时间里面,应该不会实现。
  
  无论是传统的充电方式也好还是新型的充电方式也罢,在现实生活场景中它们要么存在着较大的局限性,要么就还在攻坚克难阶段。退一万步讲,就算上述有前景的技术成功落地,也还是离不开锂离子电池的支持。
  
  举个例子,目前车用动力电池的充放电倍率多在1-1.2C之间,而如果要达到350kW的快充功率,100kWh的电池就需要达到3.5C的充电倍率,远高于目前的技术水平。
  
  所以说,目前的充电方式存在的局限加剧了研发容量更大、性能更佳锂离子电池的紧迫性。
  
  并且综合各种因素来看,研发出更优秀的电池,提高电池能量密度也是现在最根本有效的解决方案。而且从现实情况来看,这种方法也是完全可行的。
  
  首先从价格来看:据彭博社的数据显示,2010年锂离子电池组的平均价格为每千瓦时1160美元,去年达到每千瓦时176美元,到2024年可能会跌破100美元。
  
  从市场需求来看(以中国为例):据前瞻产业研究院发布的《中国动力锂电池行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》统计数据显示,2013年我国动力锂电池总装机量仅仅为1.5GWh,之后呈现高速增长至态势。2015年我国动力锂电池总装机量增长至17GWh。到了2017年我国动力锂电池总装机量达到了36.24GWh。截止至2018年底我国动力锂电池总装机量达到56.37GWh。
  
  从锂离子电池的制造能力来看:据彭博社的数据显示,在电动汽车产量不断增长的推动下,仅在过去5年里,全球锂离子电池的制造能力就增长了近两倍。目前装机容量为3022千兆瓦时,计划在未来五年内再新建603.8千兆瓦时的电厂。
  
  此外,最近还频频传来锂离子电池容量进一步提升的“捷报”。
  
  纳米多孔硅替代电池碳材料,锂离子电池容量增加50%
  
  据外媒报道,一家荷兰科技公司推出了E-magy纳米多孔硅,据说该材料可以显著提高锂离子的吸收率,并能够解决电池充电循环中发生的膨胀情况。
  
  此类特殊硅材料可用于锂离子电池的阳极,用于提升电池容量。据该公司所说,E-magy可以增加锂离子电池阳极容量,甚至可增加行业目标额外50%的容量。增加的容量可以让电动汽车无需其他电池,就可达到500公里以上的续航里程。
  
  人们都认为使用硅材料取代现今锂离子电池中的碳材料是实现更大电池容量的解决方案。理论上来说,使用硅材料可将电池阳极容量增加10倍。实际上,由于电池充电期间会产生有害的膨胀效应,电池寿命得到限制,从而使得硅的使用也受到了显著限制。
  
  该E-magy纳米硅材料设计旨在实现在电池充电循环期间吸收锂离子,得益于其内部的孔隙度,该材料功能类似于海绵吸水,从而可以防止电池阳极外部膨胀,同时使电池容量增加三倍或以上。
  
  中俄科学家成功将锂离子电池容量提升15%
  
  去年年底,俄罗斯和中国的科学家们与一个工业合作伙伴就一起组成了一支团队,成功将电池的能量容量提升了15%。
  
  此次科学家们通过向电池阴极添加固体电解质成功将电池效率提高。与液体电解质相比,研究人员成功利用固体电解质将电池容量提高了15%,此外也有助于减轻整个产品的重量。
  
  折叠一下锂离子电池,容量增加14倍
  
  美国科学家最近研究发现,通过将纸基锂离子电池进行Miura-ori式折叠,它们的单位面积能量密度和容量将增加14倍之多。
  
  研究人员尝试使用了简单的对半式折叠和更复杂的Miura-ori折叠法。研究人员发现,使用简单的对半式折叠法时,相比平面电池,折叠一次、两次和三次可以使单位面积的能量密度和容量增加1.9、4.7和10.6倍。
  
  总体而言,在简单的折叠模式中,折叠后的电池的电化学性能与平面电池相似。折叠电池的库仑效率高于那些展开的电池,这可能是由于电池在折叠后电极材料与碳纳米管之间的接触增加了。
  
  这项研究成果使人们首次看到了使用折叠法增加锂离子电池单位面积能量密度和容量的潜力。在将来,随着几何折叠算法、计算工具和机器人操纵技术的进步,可能会出现更复杂的折叠模式,并使商业用途的大尺度电池的出现成为可能。
  
  因为低廉的成本、简单的制造方法和灵活性,纸基电池已经对人们具备相当的吸引力。如果通过折叠的方式能够进一步提供纸基电池的性能,这可能会导致各种应用的高性能电池的产生。
  
  ……
  
  这些利好消息的传来,无疑是将电动汽车的前景推向一个更光明的未来。
  
  电动汽车作为绿色交通工具,顺应当前国际科技发展的大趋势,同时也符合全球人民一道守护美好家园的心愿。随着关键技术取得进一步重要突破,电动汽车的未来将驶向一片更宽阔的水域。   连接技术 新能源 标签: 锂离子 动力电池 电动汽车  
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