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新电池技术层出不穷,续航焦虑何时解决?

Simon观察 来源:电子发烧友网 作者:黄山明 2023-12-09 00:10 次阅读

电子发烧友网报道(文/黄山明)在新能源汽车高速发展的当下,电池技术成为其中重要一环,其地位也在与日俱增。从1799年人类发明第一块电池开始,尽管在过去的两个多世纪里人们不断研究,但仍然没有完全理解设备内部的具体工作机制。

近几年来,随着电子设备性能的飞速增长,电池技术(或储能技术)似乎已经达到了瓶颈,长时间停滞不前。这主要是因为现有的电池技术难以实现革命性的突破,而传统的化学电池性能已经接近其理论极限。因此在近期,不断有新电池技术推出,希望能够打破或绕开物理限制,解决如今电动汽车的续航焦虑问题。

电池技术突破方向

目前电池经过多年的发展,基本已经达到理论的瓶颈。一个是化学反应过程中的能量转化存在极限,而目前的电池技术已经接近这个极限,另一个,设计软件、设计标准与理念缺少话语权,导致电池储能转化的相关机理、技术及系统的研究还不够成熟,导致如今的电池技术难以突破。

想要实现电池技术的突破,如果无法在物理层面上解决,那么只能先提高电池各个维度的指标,比如提高能量密度,这可以有效提高设备的续航时间,也是目前大多数企业选择的方向。

再比如提高充放电效率,而现有的电池充放电速度已经逐渐接近极限,需要进一步优化电池结构,提高充放电效率。不仅效率要高,还需要保证安全性,例如,电池过热、短路等问题时有发生,这些问题可能会引发火灾、爆炸等安全事故。保证电池的安全性是突破电池技术的重要难点之一。此外,降低成本与环保生产也非常重要。

可以看到目前一些新推出的电池产品都是遵循以上的方向进行设计,比如宁德时代的5C麒麟电池,能够实现充电12分钟,续航500公里。

广汽埃安最新发布全栈自研的因湃电池,电池整包能量密度达到146.5Wh/kg,寿命达150万公里。而广汽埃安此前发布的“弹匣电池”技术专门用于保护三元锂电池,通过软硬件实现整包针刺不起火,从能量密度、寿命以及安全性上都有了不小的提升。

再比如当下盛行的磷酸铁锂电池,尽管在电池能量密度、重量上处于劣势,但由于寿命更长、安全性更好、耐高温性能较好以及成本更低,让磷酸铁锂成为车企更好的选择。

以12月7日市场正极材料数据,三元材料8系价格为17.5万元/吨,磷酸铁锂现货价格为5.12万元/吨,三元材料的价格已经达到了磷酸铁锂的三倍以上,这也让磷酸铁锂更具性价比。

可以看到,大多数电池厂商发力的重点在于提高充电速度与降低成本上,高续航的重要性被放在了稍后的位置。尤其是提升充电速度,无论电池本身具有多大的容量,充电慢,充电桩难寻仍然是目前新能源汽车车主所面临的最大痛点,这也是为何如今许多新能源汽车续航超过1000公里,但仍然存在续航焦虑的原因。

如果充电时间能够进一步,甚至达到与燃油车一样,续航焦虑自然会消失。一些企业采用换电的方式来帮助汽车充能,尽管速度很快,但需要换电站的支持。大多数新能源汽车仍然依靠充电桩来进行充电,因此充电速度将更加重要。

不同的电池技术路线

想要解决目前锂电池所遇到的物理瓶颈,当无法使用技术继续提升时,或许换种形式绕过它会更加可行。比如钠离子电池、钙钛矿电池以及被许多车企所看好的固态电池。

钠离子电池相比锂离子电池,其材料主要以钠离子为主,不仅更便宜而且环保。不过钠离子电池能量密度较低,通常钠离子电池的能量密度则为100-150Wh/kg,而锂离子电池的能量密度大约为100-300Wh/kg,这主要是钠离子的特性所决定的。

而在工作电压范围上,锂离子电池为3.0-4.2V,钠离子电池为2.8V-3.5V,尽管工作电压范围较低,但其高低温性能要优于锂离子电池。

钙钛矿电池与钠离子电池类似,能量密度上不如锂离子电池,不过钙钛矿电池在光电转换效率上有显著优势。目前,钙钛矿太阳能电池的理论光电转换效率已高达33%,而当采用叠层模式后,其光电转换效率甚至有望突破45%。

此外,钙钛矿电池还具备制造工艺简单、成本低和光谱吸收范围广等优点。不过钙钛矿原材料在地球上有大量分布且价格低廉,但其寿命和稳定性相较于锂离子电池较差,特别是大面积应用时的效率损失以及含有铅的问题需要解决。

相比之下,固态电池更受到车企的欢迎,首先是安全性显著优于锂离子电池,能量密度也更高,使用寿命更长。并且固态电池还具有体积小、稳定的特点,可以让电池管理更加简化。并且固态电池的温度工作范围,目前可以在-25℃到60℃之间。

不过固态电池的缺点在于量产困难,成本极高。这是因为很难设计出同时稳定、化学惰性和电极之间离子良好导体的固体电解质。并且固态电池的界面阻抗过大,这也是固态电池研究过程中需要解决的问题。

今年10月份,丰田和出光兴产宣布将合作推出全固态电池量产,争取2027年前后实现规模商用,三星SDI也公布了其固态电池路线图,正致力于开发能量密度超过900 Wh/L的固态电池,同样计划于2027年实现量产,目前正在水原研究所中试线上持续迭代工艺。

广汽埃安近期发布消息称,其实验室已经完成固态电池的界面改性技术试验验证,公布了新的技术突破。该技术将使固态电池的寿命衰减降低50%,150周循环后,电池容量能够保持在90%以上。并计划在2026年实现装车搭载,埃安旗下高端豪华品牌昊铂将率先采用。

据EVTank的预测,至2030年全球固态电池渗透率有望达到10%,需求达到276.8GWh。2023-2030年,全球固态电池需求增长的CAGR为63.7%。

不过当前全固态电池工艺并不成熟,还存在诸多难题需要解决,如离子电导率低、循环寿命差、倍率性能差、成本高昂等,因此大多数车企目前选择了半固态电池,作为液态电池与全固态电池的过渡方案。

包括未来、上汽、东风、赛力斯等企业都宣布将陆续推出半固态电池版车型,续航里程可达1000km。有相关机构统计,半固态电池预计将在2024年开启规模化量产,规模有望达到5GWh,2025年成本有望降低至0.9元/Wh,而全固态电池的商用时间可能要到2030年。

写在最后

续航焦虑是目前新能源汽车车主挥之不去的问题,哪怕如今电动汽车的续航越来越高,也无法得到有效缓解。归根结底,续航焦虑的原因还在于充电时间过长以及基础设施不足所致,如果充电能够像加油一样随处都有,并且方便快捷,那么续航焦虑自然不复存在。

而在市场中,存在着换电与升级电池技术本身两种方式,优缺点都很明显。而国内的市场也足够这两种路线同时生存,就让市场来选择新能源汽车未来的充电方式。

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