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      為什么特斯拉采用18650鋰離子電池?

      來源:未知?作者:admin??發布時間:2020-04-16 17:24:46??閱讀數:

      本文作者弗雷劉,陶瓷材、鋰電材料、動力電池、THU博士?,F任職于清華大學能源互聯網創新研究院,主要負責儲能技術開發。

      作為在一個研究所工作的工程師狗,終于有機會在自己的領域說幾句了。

      首先糾正一個概念,鋰電是我們一般說的鋰離子電池的簡稱,而有些人說的鐵電,其實是使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池,它是鋰電的一種。

      特斯拉為什么使用18650鋰電池?

      OK,現在開始回答,先說簡單版通俗型摘要:

      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,這個無法回答,你如果想說自燃,我還想說汽油車夏天也自燃呢。

      對于純電動汽車(不考慮插電混動以及純混,人家可以靠汽油開掛),我們最最糾結的是什么?里程焦慮,就是開不遠,因為電池的能存儲的能量密度太低,車用電池成組后現在一般也就100~150Wh/kg的能量密度,汽油的這個數值大概是10000helliphellip所以哪怕你像烏龜一樣背一車電池都不見得解決問題。大家天天吐槽電動汽車天天充電跑不遠半路沒電了怎么辦,都是能量密度太低給害的。

      現在電池技術的最大短板,就是能量密度太低,落后于摩爾定律無窮遠helliphellip別扯那些鋰空什么的,即使它們能量密度也不夠高,關鍵是離實用還遠helliphellip

      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。

      本人的工作就是在國內某研究所做磷酸鐵鋰的某升級產品的研發,還同時亂看一些其它材料,鋰電池和電動汽車的東西,所以在這里答一下。

      (現在開始華麗地半學術地展開斯米達)

      要對比幾種正極材料,我們就必須從五個重要性能判據:

      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=LiMn2O4spinel,LFP=LiFePO4olivine

      我們可以看出:

      bullLFP材料

      Energy能量最低(悲劇,容量低是一方面,3.4V的低電壓才是問題,反面例子就是鎳錳酸鋰尖晶石,電壓4.7V)。篇幅所限,就不在這里放充放電曲線了。

      Power功率一點也不低(在鄙研究所自制的中試級磷酸鐵鋰,5C可以做到130mAh/g滴(當然PHOSTECH的也可以......)。包碳+納米化材料倍率性能還是很強大的!

      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gt4000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(我國貧鈷啊有沒有),鎳比錳鐵要貴,用什么原料,有什么成本。

      bull然后再對比分析以下NCM/NCA材料

      能量最有優勢(電動汽車就想跑遠點,這個最重要)。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,也不錯。之前的時候,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(好像標準是還能保持80%還是多少,記不清了),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。

      成本有點高(先承認這點)。

      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。

      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。

      bull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。

      說到這里,我忍不住要吐槽:你們天天嫌電動車貴,就是因為電池用的多,就是因為單位能量的成本(rmb/Wh)這個數太高,其實真的很難降啊,我們都快喝西北風了啊啊啊啊==

      bull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啊,NCM/NCA這方面就要好些。

      不過作為一名磷酸鐵鋰研究狗,我也得為我們的材料說幾句話:在追求安全性、倍率性的場合,磷酸鐵鋰電池還是有優勢的,尤其是請天天吵著電動車、電池不安全的人多為我們磷酸鐵鋰投票。

      此外磷酸鐵鋰不需要用鎳鈷這些玩意,對于國家資源安全是有所幫助的(好吧,其實也用不太多,不過這產業一旦大了用量也可觀);

      還有,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(比如有的電池便宜,但是壽命可能只是磷酸鐵鋰的一半不到,折合使用時間后成本就不一樣了,我才不告訴你是LMO呢),大家要學會算賬。

      在一些能量密度要求不是特別高的場合,磷酸鐵鋰還是有優勢的,比如儲能等新領域。

      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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