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特斯拉|动力电池系统轻量化技术研究( 二 )


另外硅基负极材料在使用中与石墨负极进行混合使用 ， 其添加量在5%～10%左右 ， 在一定程度下又降低了体积效应 ， 提高了循环寿命 。 特斯拉的电池中已经部分采用了硅碳负极 ， 打开了硅碳负极在动力电池中应用的序幕 ， 在应用过程中硅碳负极的工艺控制、使用比例、电解液成分的优化、电池结构的设计都需要进行系统的研究 ， 以满足动力电池的需求 。
3 提高极片中活性物质占比
一般电芯正负极极片的组分包括活性物质 ， 导电剂和粘结剂 。 导电剂和粘结剂比例降低 ， 从而提到了活性物质的占比 ， 提高了单体电池的能量 。 目前碳纳米管、碳纤维、石墨烯等导电剂的应用能够有效降低导电剂的比例 ， 从传统的3%～4%的比例降低至0.5%～1%；而苏威、阿珂玛等粘结剂厂家都在开发粘结性能更好的新产品 ， 将活性物质占比提高至97%～98% ， 从而有效提高电池的能量密度 。 在电池设计中 ， 导电剂和粘结剂的优化至关重要 ， 既要提高活性物质占比 ， 又不能影响电池的功率密度、极片的吸液能力、极片的柔韧性等 。
4 减轻电芯辅材质量
电芯辅材包括正负极集流体、隔膜材料和电芯包装材料等 。 在确保单体电芯安全性能的前提下 ， 通过减薄电池集流体的厚度 ， 减薄隔膜的厚度或减轻电芯包装材料的质量等来提 高电池的能量密度 。 一般说来 ， 电芯辅材的质量能占到电池质量的10%左右 ， 这部分质量的降低能够在一定程度上提升能量密度 ， 但并不明显 。
二、减轻电池系统配件质量
减轻电池系统配件质量也能提升电池系统能量密度 。 电池系统主要配件是电池箱体 ， 它是电动汽车的“心脏” ， 是电池的载体 ， 并对保护电池的安全起关键作用 ， 于是电池箱体需要满足密封性能、防腐性能、抗振性能、耐冲击和碰撞等功能 。 在减轻电池箱体质量的过程中 ， 可选取高强度、低密度性能的材料 ， 保证其基本的物化性能 ， 同时也降低了其质量 ， 这样才能进行实际应用 。
1 高强度钢
高强度钢是指屈服强度介于210～550MPa的钢材 ， 而屈服强度超过550MPa的钢材称为超高强度钢 。 在相同强度情况下 ， 使用高强度钢可有效减薄零件厚度来实现轻量化 。 目前 ， 电动汽车电池箱体主要采用钢板Q235材料 。 特斯拉
特斯拉|动力电池系统轻量化技术研究
本文图片
Model 3(参数|图片)车身底部的电池包基本被超高强度钢包围 ， 一方面保证车身结构的稳定性 ， 另一方面保护电池组的安全 ， 同时取消了专程用来保护电池包的结构 ， 从而达到结构减重的目的 。
2 铝合金
铝合金密度低 ， 强度较高 ， 冲击性好 ， 塑型性好 ， 耐腐蚀性好 ， 易回收 ， 可加工成各种型材 ， 工业上广泛使用 ， 使用量仅次于钢 。 但是铝合金的焊接工艺较差 ， 材料价格较高 ， 是钢材价格的三倍左右 。 因此 ， 改善铝合金成型工艺和降低材料成本可促进电池箱体轻量化的发展 。
3 复合材料
复合材料是指由两种或两种以上的材料组合成新材料 ， 融合每种材料的优势 ， 其具有质量轻 ， 强度和弹性模量大 ， 耐腐蚀和耐磨等优点 ， 在某些领域逐渐取代金属合金 。
复合材料按结构特点可分为夹层复合材料 ， 纤维增强复合材料 ， 其中应用最广的为纤维增强复合材料 ， 例如碳纤维与环氧树脂复合材料 ， 复合材料和一般钢件相比 ， 减重超过50%以上 ， 和铝合金相比 ， 减重也要达到30%以上 ， 这对于电池箱体质量的减 轻有较为明显的效果 。
汪佳农等过使用有限元软件分析对比Q235钢和碳纤维/环氧树脂复合材料两种材料的电池箱体结构强度 ， 设计了合理的碳纤维/环氧电池箱 。 结果表明 ， 电池箱体承载性能没有降低 ， 质量减轻64% 。 然而碳纤维的使用 需要克服价格昂贵的问题 ， 同时复合材料在电池箱体的应用是一个渐进的过程 ， 全部取代金属材料目前尚不成熟 。


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