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镍基技术将成为电动汽车电池首选技术
发表时间:2020-05-21 09:37 浏览次数:552
         为降低能源消耗和减少温室气体排放,世界各主要国家都在推广电动汽车。研究表明,镍能够显著提高锂离子电池的能量密度,使得高镍锂离子电池成为当前电动汽车的首选技术。尽管锂因其重量轻、电压高(能量高)等特性成为锂电池的常用材料,但镍目前也正用于多种获得市场认可的电池化学反应系统。
        多年来,多种可充电锂电池基础技术都得到了发展和改进,但是仍然存在一些技术差异。不仅能量密度、功率密度、安全性、循环寿命和成本有差异,这些技术之间的电压和电压分布也有所不同。
        平衡能量密度和成本
        在电动汽车制造技术中,选择电池所提供的能量相当重要。“比能”和“能量密度”这两个术语经常被混用或误用。从技术上来说,比能是重量概念,单位是Wh/kg;能量密度是体积概念,单位是Wh/l。在大多数应用中,最重要的是空间体积的能量,也就是能量密度。但由于重量比体积更容易测量,通常使用比能数据,但却容易被误称为能量密度。
        汽车OEM重视七个主要属性:成本、能量密度和比能、功率密度及体积和重量、循环寿命、安全性、低温和高温耐受性及性能。OEM生产优先考虑的是能量密度,它定义了汽车每一次充电的行使距离以及电池成本,使电动汽车价格在普通消费者承受范围之内。
        镍基技术可以同时满足这两个条件。在过去的十年中,镍、钴、锰及铝氧化物(NMC/NCA)的混合物一直用于最好的电池技术。
        镍含量越高,能量密度越高。由于在电池制造中镍替代了钴,因此成本有所降低。目前,特斯拉主要使用的NCA含大约80%的镍、15%的钴和5%的铝,而其他OEM最常使用的电动汽车电池是NMC622,含有60%的镍、20%的锰和20%的钴。
        高镍技术的竞争性技术曝光率越来越高。大多数情况下,在期刊、报纸和杂志上看到的都是有关旧技术改进的报道,但其中许多技术都缺乏一种或多种性能属性,因此它们很难找到广阔的市场。在可预见的未来,镍基技术将成为电动汽车的首选电池技术。
        不同电池技术对比
        磷酸铁锂(LFP)是最早商用的锂离子技术之一,主要是由于其耐用且安全。但是由于能量密度低,它已经逐渐被电动汽车电池产业淘汰,取而代之的是功能更强大的技术。
        最近,一种含锰的新LFP(LFMP)问世,其能量密度显著提高。这种新正极与硅碳负极一起为电池提供大约200Wh/kg的能量。尽管能量提高,但仍无法与电池能量为300Wh/g的NMC811/NCA竞争。
        与高镍NMC/NCA相比,LFMP预计比NMC/NCA价格低20%~25%,但能量密度却下降30%,这是应用于电动汽车制造的主要障碍。
        与LFP一样,锂锰氧化物(LMO)是一种特殊的立方分子结构,成分为氧化锰,以便锂离子进出。作为较早的商用技术之一,它主要凭借高功率能力和良好的安全性。但是和LFP一样,由于能量密度低,它已被NMC取代。汽车OEM不常使用LMO,但是三菱公司在i-MiEV型汽车中使用了LMO和NMC的混合物。
        最近,研究人员发现在LMO的结构中加入30%的镍(LNMO),可增加其能量密度,且由于锰提高了电压(4.7V),从而大大提高了理论上的能量。
        新LNMO的成本预计为NMC811的30%~50%,但实际能量密度只有NMC811的65%。因此,LNMO不太可能用于全尺寸的电动汽车,但可能适用于电动自行车和小轮摩托车。
        富锂锰(LMR)是一种不含尖晶石的富锰技术,其中也含有少量的镍。理论上,这是一种高能量密度的材料,因为它利用了双电子转移并可能具有5V电压。但是,这两个极端条件与耐用性背道而驰,且循环稳定性非常差。因此,在可预见的未来,预计电动汽车市场不太可能会采用这项技术。
        锂硫(Li-S)是一项商用技术,几乎专用于气象气球和无人机。从根本上来说,它是比能最高的电池,比NMC811高出近50%。问题在于,它要保持硫正极的结构完整性,防止其溶解到电解质中,结果导致循环变差,容量衰减严重,不能用于电动汽车。
        固态锂离子是近年来发展起来的一项新技术。“固态”一词的意思是,电解质不是液体,而是一种固态或胶状离子导电材料。该理念是创造一个能量储存系统,基于电解质的非易燃性而提高安全性。由于固态技术具有显著的安全优势,负极也可以由锂金属制成,因此能量得到了提高。锂负极的循环能力取决于所使用的富锂,这反过来又降低了能量密度。
        无论系统中锂的含量是多少,正极材料都不会改变。最高能量密度仍将使用高镍正极,只是电解质和负极不同。
        许多人认为固态电池是未来的电动汽车技术发展趋势,因为这种锂离子在车辆事故中不会燃烧。缺点在于系统的动力学性能低于常规锂离子电池,导致功率密度不佳,会对电动汽车加速和电池充电时间产生负面影响。尽管如此,丰田已经宣布将在今年推出一款使用固态电池的电动汽车。
        硅技术也已经发展了几年,并取得了持续材料。这项技术使用硅作为负极的成分,取代了一些常用的石墨。硅的理论能量密度是石墨的10倍,是一种极具吸引力的材料。但是,硅在电池充电期间会有明显的物理膨胀。在放电过程中,这种先膨胀后收缩的现象或使材料产生应力裂纹,从而增加了材料的阻抗性,降低了材料的容量。
        正极与固态技术一样,不会随着硅技术的负极而改变。高镍正极材料将与硅一起使用,以实现超高的能量密度。350Wh/kg电池使用高镍正极和高硅负极,预计它的商用很快就能实现。
        燃料电池通过精心设计的微孔膜将储存在燃料罐中的氢燃料与空气中的氧气结合起来从而进行工作。由于成本、可靠性和工作效率等问题,燃料电池技术发展缓慢,但已经取得了显著的进步。燃料电池的重量能量密度非常好,但体积能量密度则不然。其次,它的功率密度低,因此对加速性能有要求的车辆需要额外的锂离子电池或超级电容器模块才能得到预期的性能。
            来源: 中国有色金属报    编辑: 黄左
 
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