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特斯拉使用的锂电池是否安全?锂电池原材料分析

来源: | 作者:admin | 分类:分析 | 时间:2016-10-05 | 浏览:6357
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       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统,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,这个世界上本来就没有绝对安全的汽车,汽油汽车也会爆炸。

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       对于纯电动汽车,面临最大的问题就是续航能力,因为电池的能存储的能量密度太低。而现在电池技术的最大短板,就是能量密度太低。

  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)。

  实际的汽车用电池组都是串并联组合出来的,需要用串联来提高电压,此时,单节单池的电压以及不同电池之间的容量一致性显得非常重要,光说容量低是不严谨的

  要对比几种正极材料,我们就必须引入这个图,即五个重要性能判据:

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  Power 功率,Life 寿命,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

  从这个图中,我们可以看出:

  LFP 材料

  Energy 能量最低。

  Power 功率一点也不低。

  Life 寿命和 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。寿命上,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:钴比镍贵,镍比锰铁要贵,用什么原料,有什么成本。

  然后再对比分析以下 NCM/NCA 材料

  能量最有优势。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)

  寿命。早先三元材料可能寿命在 1000 次左右,但是近几年来随研发工作的进展,该材料的寿命已经可以达到 2000 周,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。

  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。

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  哪个更安全?

  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,寿命上 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。

  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,NCM/NCA 这方面就要好些。

  此外磷酸铁锂不需要用镍钴,对于国家资源安全是有所帮助的;

  磷酸铁锂材料毕竟寿命还是最好的,所以在某些要求时间的场合,它有优势。

  所以,说来说去,为了让纯电动汽车跑的更远,能量密度更高的电池更受青睐。

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