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[电池材料] 动力电池系统轻量化技术综述

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发表于 2020-5-27 09:27:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
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动力电池系统轻量化技术综述

程 萍1,程 凤2

(1.上海立达职业技术学院上海立达-台北城市机电与信息学院,上海201609;2.南京理工大学,江苏南京210094)

【中国汽车材料网】摘要:电动汽车的续航里程一直是关注的重点之一,而电动汽车用电池主要是锂离子电池,锂离子电池系统轻量化对提高续航里程很重要。实现锂离子电池系统轻量化一般有三种途径,提高单体电芯能量密度,减轻电池系统配件质量,优化电池系统设计。
关键词:电池系统;锂离子电池;电池箱体;轻量化

节约能源和减排废气是汽车行业热门话题,汽车轻量化为实现可持续发展的战略提供可行性。与传统汽车相比,新能源汽车特别是电动汽车的应用目前被大力推广。电动汽车用的动力电池质量能量密度远小于传统汽车用的液体燃料[1]。电池系统的质量在电动汽车总质量中占有相当大的比重,而电池系统的质量和能量都对电动汽车的续航里程有一定的影响。在不改变电池系统总能量的情况下,电池系统质量降低能够有效提高其续航里程。有数据表明,电动汽车质量减10%能提高续驶里程5.5%[2]。因此,电动汽车电池系统轻量化至关重要,是新能源汽车轻量化的主要研究内容之一。实现电动汽车电池系统轻量化的三种途径分别是提高单体电芯能量密度、减轻电池系统配件质量和优化电池系统设计。

1 电动汽车电池系统轻量化实现途径
目前,电动汽车使用的电池大多数是锂离子电池。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜等组成。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。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。

1.1 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元材料作为正极材料。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 (120~170 Wh/kg),而三元电池比能量较高(180~220 Wh/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2020年新型锂离子动力电池单体比能量超过300 Wh/kg,到2025年动力电池单体比能量达500 Wh/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。
1.1.1 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(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)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。北京当升材料科技股份有限公司早在2014年就率先开发动力锂电池高镍NCM622多元正极材料,单体电池比能量达230 Wh/kg。宁波金和锂电材料有限公司高镍三元NCM811也投入量产,预期单体电池的比能量达到250 Wh/kg。
镍钴铝酸锂(NCA)[3-4]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Model S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3 100 mAh,其比能量达250 Wh/kg,使得Model S续航里程达到480 km。虽然NCA锂电池有优越的电池性能,但是生产技术门槛高[5]。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。
1.1.2 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372 mAh/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4 200 mAh/g,是石墨容量的10倍多,成为高容量负极材料开发的热点[6]。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[7],另一种是制备硅的复合材料,硅/碳或者硅氧复合材料[8]。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。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。
1.1.3 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。
1.1.4 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。

1.2 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[9],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[10]。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。
1.2.1 高强度钢
高强度钢是指屈服强度介于210~550 MPa的钢材,而屈服强度超过550 MPa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[11-12]。目前,电动汽车电池箱体主要采用钢板Q235材料。特斯拉Model 3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。
1.2.2 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。
1.2.3 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[13]。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[14]通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。

1.3 优化电池系统设计
1.3.1 采用轻量化结构
通过对电池系统配件合理的结构设计,减少材料的使用,并结合计算机辅助工程(CAE)仿真分析,在配件安全性能不变的情况下达到轻量化目的[15],如配件中空化,复合化,薄壁化等,还可通过电芯尺寸设计和电池的重新排布使电池箱体体积不变放置更多数量电芯,以提高电池系统能量密度。例如,大部分特斯拉Model S车型的电池包分为16个小模组,而Model 3长续航版的电池包则只有4个模组。更少的模组意味着更少的电池包内部隔断、电池组BMS、线束和散热管路接口,可以从电气部分和结构两个方面减重。
1.3.2 采用轻量化制造工艺
制造工艺与材料、结构是相辅相成的,需要找到相适应的先进工艺来共同实现轻量化[16-19]。
钢材件可采用热成型技术,该技术主要是通过对钢材加热,使其变成奥氏体状态再进行加工。该技术在高温下有良好的冲压性能,成型精确,没有回弹,并且质量较轻。
激光拼焊技术是将不同材质、不同涂层、不同厚度的钢材或铝合金等进行焊接组成一个完整的零件,减少零件数量和材料消耗,实现装配工艺轻量化。因此,该技术在制造工艺中得到越来越广泛的应用。例如,在特斯拉Model 3电池包中,正负极连接片从一整片变成布局在电池组两侧,而未采用传统模式的正反面的树枝状连接片。即将原先是两面的铝片变成了一面,同时所用铝片还可以更细更轻,在整个电池组层面可以减重几千克。
3D打印技术是以可粘合材料如粉末状金属或塑料等为原料,采用逐层打印的方法来构造零件的技术,可以灵活地运用不同材质进行电池箱体的设计,提高电池箱体整体的功能性,降低电池箱体的整体质量,其主要优点是缩短零件制造周期,降低生产成本,减少材料浪费,减轻零件质量,但目前金属3D打印机技术还不够成熟,3D打印仍以塑料材质为主。

2 总结
电动汽车电池系统轻量化势在必行,可通过提高单体电芯的能量密度和降低电池系统的质量来实现。采用高容量正极材料、高容量负极材料制备电芯以及使用先进复合材料制备电池系统配件等是研发高能量密度电池的主导方向。但是,面对材料成本高,工艺不成熟等问题,需要加强技术改性来降低材料成本,提高材料利用率,研发更优良的新型材料,引进国际先进设备,掌握先进制造工艺等。

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