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特斯拉|动力电池系统轻量化技术研究


来源 |锂电联盟会长
目前 ， 电动汽车使用的电池大多数是锂离子电池 。 单体电芯通过串、并联方式实现高电压和高能量的电池系统 。 过重的电池系统使电动汽车的续航能力与传统燃油汽车相比明显不足 ， 有数据表明 ， 电动汽车质量减10%能提高续驶里程5.5% 。
因此 ， 寻找高比能量电池系统是目前研究的主要方向 ， 也是实现电动汽车轻量化的主要途径 。 实现电池系统轻量化可从三种途径展开：(1)提高单体电芯的能量密度；(2)减轻电池系统配件质量；(3)优化电池系统设计 。
一、提高单体电芯的能量密度
目前 ， 国内用在电动汽车上的电池主要是以磷酸铁锂和三
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元(参数|图片)材料作为正极材料 。 磷酸铁锂电池因安全性能和循环寿命最好 ， 已经大规模产业化 ， 国内很多电池厂选择生产该类型的电池 ， 如深圳比亚迪 ， 合肥国轩等 。
但是磷酸铁锂电池单体的比能量较低(120【特斯拉|动力电池系统轻量化技术研究】～170Wh/kg) ， 而三元电池比能量较高(180～220Wh/kg) ， 更能迎合市场上对续航里程的要求 ， 使三元锂电量产有所上升 。 目前主要的厂商有宁德时代新能源 ， 上海卡耐等 。 虽然三元电池能量密度较磷酸铁锂电池高 ， 但是距离工信部提出到2025年动力电池单体比能量达500Wh/kg的目标还有较大距离 ， 因此 ， 新的材料体系或电池体系要进一步研究以满足上述目标 。
1 采用高容量正极材料
正极材料的容量和电压是限制电池能量密度最主要的因素 ， 正极材料的质量占到单体电池的40%～45% ， 因此采用高工作电压和高容量的正极材料能够显著提升电池的能量密度 。
三元镍钴锰酸锂(NCM)材料可通过调配镍、钴、锰三者比例 ， 从而获得不同材料特性 ， 目前三元锂电池主要应用是NCM111和NCM523 。 而三元材料镍钴锰比例从 1:1:1、5:2:3到6:2:2、8:1:1 ， 能够将电极材料的克容量提高 ， 使得高镍三元材料高容量备受关注 。 一般来说三元材料中含镍比例越高 ， 材料单位质量所贡献的能量越多 ， 其制备的电池能量密度越高 ， 但是电池的循环性能和稳定性有所下降 。
镍钴铝酸锂(NCA)是高镍三元材料的另一种 ， 高含量的镍元素使得NCA比容量较高 ， 达到190 Ah/kg ， 是最具发展前景的高能量密度锂离子电池正极材料之一 。 镍钴铝酸锂的结构类似于三元NCM811体系 ， 但掺铝后材料的稳定性和循环性能更好 ， 目前已经成功应用在电动汽车上 。
特斯拉顶配的
特斯拉|动力电池系统轻量化技术研究
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Model S(参数|图片)使用的电池为松下电池 ， 其正极材料即为NCA ， 其单体电池容量达3100mAh ， 其比能量达250Wh/kg ， 使得Model S续航里程达到480km 。 虽然NCA锂电池有优越的电池性能 ， 但是生产技术门槛高 。 NCA材料在制备技术上难度较大、材料生产成本高、生产设备要求特殊及电池设计和制造难度较高 ， 国内目前只有少数厂家进行小批量生产 。
另外 ， 高压钴酸锂通过电压的提升来增加能量密度 ， 但钴的价格较高 ， 不适合用于对电池成本比较敏感的汽车电池中；富锂三元具有较高的比容量 ， 磷酸锰铁锂提高了电压平台 ， 均有望应用于动力电池中 ， 但此类正极材料的技术成熟度上仍然不够 ， 需要进行进一步的研究和产业化验证 。
2 采用高容量负极材料
在工业化的锂离子电池中 ， 负极质量约占到电芯质量的15%～20% 。 石墨的理论比容量为372mAh/g ， 是常用负极材料 ， 但是对电池能量密度的提高有限 。 硅负极的理论比容量高达4200mAh/g ， 是石墨容量的10倍多 ， 成为高容量负极材料开发的热点 。
为解决纯硅负极材料的体积膨胀和循环性差问题 ， 一种方式是制备纳米硅材料 ， 另一种是制备硅的复合材料 ， 硅/碳或者硅氧复合材料 。 复合材料的优势在于各组分间发挥各自的优良性能以实现协同效应 ， 降低其体积效应 。


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