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车用动力锂离子电池生产耗能分析

来源:新能源Leader | 作者:转载 | 分类:分析 | 时间:2017-07-03 | 浏览:3062
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在中国政府的大力推动下,国内电动汽车迅速发展,相比于传统的燃油汽车电动汽车具有诸多优势,例如加速性能好,行驶安静,“零排放”等,因此不仅仅在中国,在全世界范围内,电动汽车的市场份额都在快速增加。据相关机构预测,全球电动汽车的销量在2020年将达到1300万辆,而到2030年将达到2.3亿辆,随着电动汽车的大规模普及,在2030年,可以使的美国的温室气体排放量相比于2005年减少20%-69%。

虽然电动汽车不会直接排放有害气体和污染物等,但是实际上在电动汽车的生产和使用过程中仍然会间接的产生一定污染,例如电动汽车所用的锂离子电池在生产过程中需要消耗大量的能量,在电动汽车使用过程中还需要对锂离子电池进行充放电,这些都会消耗能量,从而间接的产生污染物的排放。

在锂离子电池的生产过程中,主要能耗发生在正、负极材料生产,电极涂布后的烘干过程和电池生产过程中干燥间干燥机组运行等过程。目前电动汽车主要分为三大类:混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车,这些汽车内斗包含众多的锂离子单体电池,例如日产leaf电动汽车的24kWh电池模块,就包含192只单体电池,重达640磅,Chevrolet Volt的16kWh电池模块,包含288只电池,重达435磅,如此众多的锂离子电池在生产过程中必然要消耗大量的能量,但是以往估算动力锂离子电池组的生产能耗中,由于缺乏直接的工厂数据,生产过程中的能耗往往是通过估算进行的,因此得出的数据也有很大的差异。

美国凯斯西储大学大学的Chris Yuan直接从JohnsonControl Inc.公司采集了生产数据,基于工业生产过程对24kWh锂离子电池组的生产能耗进行了分析。24kWh锂离子电池模块的生产能耗主要分为三大部分:电池材料的生产消耗29.9GJ,锂离子电池的生产消耗58.7GJ,电池组的组装消耗0.3GJ能量。

电池材料生产能耗

Chris Yuan分析的24kWh锂离子电池模块的锂离子单体电池采用的为锰酸锂正极和石墨负极,首先我们一起分析电池中的原材料生产的能耗。在锂离子单体电池中,正极的组成比例为LMO:炭黑:PVDF=89:6:5,负极组成为:石墨:CMC=95:5,负极正极容量比为1.2,还包含电解液,隔膜,集流体、电池外壳,每只单体电池重量为868g,然后12只单体电池连接为电池模块,16个模块连接为电池组,再加入BMS,冷却系统。因此,在一个电池组中包含192只单体电池,电池组总重量为221.6kg,其中,单体电池166.6kg,冷却系统8.9kg,BMS8.5kg,结构件37.6kg,电池组不同部分的重量比例入下图所示。

车用动力锂离子电池生产耗能分析

对各个材料的生产能耗进行计算发现,LMO正极材料的生产耗能最高达到4890MJ,而石墨负极生产的耗能仅为1671MJ,铜和电池组结构件的耗能也分别达到了4737MJ和4241MJ,因此生产一个24kWh的电池组,原材料的耗能为29.9GJ。

锂离子电池生产过程中的能耗

锂离子电池的生产过程如下图所示,主要包含匀浆、涂布和烘干,分切,电芯卷绕,电池装配,以及注液和化成等过程,其中能耗比较高的部分主要是电极的烘干过程和电池生产过程中干燥间的干燥机组运行成本,例如一个可以每天生产400只电池的干燥间,干燥机组和锂离子电池生产设备的运行功率达到64.8kW

车用动力锂离子电池生产耗能分析

锂离子电池生产过程中每个步骤的能耗,如下表所示,其中有38%的能量消耗在了电极干燥过程,43%消耗在干燥间的运行中,整个24kWh电池组消耗在单体电池生产过程中的能耗为58.7GJ。

车用动力锂离子电池生产耗能分析

电池组的组装能耗

由于电池组的组装主要由人工完成,因此能耗仅为0.03kWh/kg,因此整个24kWh电池组的电池组装能耗也仅为0.3GJ。

车用动力锂离子电池生产耗能分析

从上述分析可以看到,整个24kWh电池组生产过程中总的能耗达到了88.9GJ的能量,其中主要是单体电池生产和原材料的生产过程能耗较高,不同部分的生产能耗占比如上图所示。Chris Yuan的研究还发现,环境温度和PVDF胶液的浓度对锂离子电池生产过程中的能耗影响比较大,例如当环境温度从10℃提高到25℃后干燥间的能耗下降了8%。环境湿度也对生产能耗有着显著的影响,将PVDF胶液浓度从4%降低到2%,电池组的生产能耗可以从50.1kWh/kg下降到40.5kWh/kg。

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