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王子冬:动力电池安全问题如何解决?能量密度与安全性需要平衡优化

根据国家市场监督管理总局的数据,2018年国内至少发生40起涉及新能源汽车的火灾事故,今年4月起,又接二连三发生电动汽车起火冒烟事故,动力电池安全性是一个敏感的话题,又是一个不能回避的话题。

近日,中国动力电池创新联盟副秘书长、中国电动汽车充电基础设施充电联盟副秘书长王子冬在首届中国国际电动汽车安全技术创新大会上对电动汽车安全性问题进行了多维度剖析。他认为,动力电池在材料上没有明显技术突破前,比能量发展到一定水平后,就很难再有进一步的突破。与此同时,在安全性方面的负面影响却越来越大。在没有掌握锂电池起火规律之前,把控能量密度与安全性和长寿命的平衡关系是不能忽视的问题。


中国动力电池创新联盟副秘书长、中国电动汽车充电基础设施充电联盟副秘书长王子冬

动力电池技术路线之争

这个问题由来已久,这也正是能量密度与安全性的博弈。

王子冬表示,“我们必须承认,电池组是一种含高能物质的部件,具有危险性的本质,而且,随着电池比能量和比功率的提高,发生事故的危险性将增大。”

锂电池众多的技术路线中,磷酸铁锂与三元的对决最为胶着。

磷酸铁锂安全性高、寿命长,但是能量密度不如三元高,但可以通过提高电池容量加以弥补,低温性能差,主要是在小容量电池上低温性能低,材料一致性也差。

三元电池能量密度高,一致性好,低温性能好,但是安全性略差,循环寿命远不如磷酸铁锂电池。

“当前,在中国磷酸铁锂电池具有最成熟的产业链,我们对相关领域掌握的核心技术也比较多,而三元电池则以日韩为代表,相对更成熟一些。”王子冬认为,这种技术路线的对决,更有一种中国vs日韩的意味。

如果单从动力电池本身的性能来评价,他列举了10个维度:1.电池组的安全性、2.电池组的能量密度(而非单体)、3.电池组的循环寿命、4.电池组的成本、5.充电倍率、6.电池单体一致性、7.低温性能、8.成组利用率、9.回收再利用的方便性、10.正负极材料可回收修复再利用。

作为一种能够引领潮流的技术路线,在以上任何一个方面都不能有太过鲜明的缺点,需要做到各方面的均衡才是一种具有可行性的路线,而不是某一个单一性能指标高,比如说能量密度。

因此从以上10个方面分析对比,在这场对决中,三元和磷酸铁锂惨烈厮杀,痛苦角逐,互有胜负,也有平手,在这10场对决后,王子冬个人裁判,给出一个简单的最终结论:在乎安全性、能量密度要求不是很高的场合,首选磷酸铁锂电池。

动力电池的天花板在哪里?

在王子冬看来,对提高动力电池能量密度需要有清醒的认识:能够产业化的电动车用动力电池的性能提高,不仅仅是正负极材料性能上需要有幅度改进,同时在许多方面都需要有比较大的突破,才有可能实现动力电池真正意义上的提高。

那么从产业化动力电池的定义来说,国家提出的目标是:到2020年实现电动车充电一次可以跑400km,单体电池比能量达到:300Wh/kg(350)、600Wh/L(700)、0.6元/Wh,电池系统达到:220Wh/kg(260)、300Wh/L(380)、1.0元/Wh,循环寿命1500次(80%DOD)。

王子冬表示,从指标数据上看,要想实现这些指标难度还是比较大的。

目前国内动力电池企业产品概况是:磷酸铁锂方面,规模化生产的能量型磷酸铁锂动力电池能量密度大致在140-180Wh/kg之间。三原材料方面,规模化生产的用于纯电驱动的三元正极锂离子动力电池能量密度大致在180-260Wh/kg之间。

从技术角度推论,如果电池组比能量要达到260Wh/kg,按照10KWh/kg/100km的能耗计算,形势400km的电动车40KWh电池组电芯重量不能超过99.5kg,电池组的总重量不能超过153kg,软包装电芯的比能量需要超过402Wh/kg,难度可想而知。

由此可以推出,比能量达到350Wh/kg的电池(如果能做出来的话),需要做成大容量(80Ah以上)的铝合金硬壳动力电池,这样可以节省模块化后占掉的重量,40KWh电芯总重量要控制在114.3kg以内,只能占电池组重量比74.7%,其余的铝合金箱体(25kg)、热管理系统(2kg)、连接件和固定件(11.7kg)等的总重量不能超过38.7kg,站电池组的重量比25.3%,电池组总重量才能不超过153kg,电池组的比能量才可以达到262Wh/kg。

“为什么大家一提到高能量密度就想到软包装电池?从车辆工程的角度是看动力电池系统的能量密度,而非单体电池的能量密度。从单体电池到模块,再到系统集成,中间环节比较多,电池之间的连接件、模块之间的连接电缆、箱体、固定架、支撑架、导热结构等等,这些都会增加许多重量”,王子冬提出,需要在系统能量密度、可靠性及安全性方面做优化。

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