国内首款以钠离子电池为动力的A00级试验车公开亮相,代表了中国电动汽车的新突破。
新能源电动汽车有三个核心:动力电池、电动驱动和电气控制,其中动力电池的主流仍然是锂电池。以钠离子电池为动力电池,无异于给电动汽车换了一颗“心”,影响了整车的性能、质量和可靠性。
然而,这颗“新心”的表现确实让人眼前一亮。数据显示,中国第一辆钠电池车的电池容量为25kWh,续航里程为250km,与锂电池车有一定差距,但满足城市通勤问题不大。而且在快速充电方面,钠电池一次充电只需15~20分钟,反而比锂电池高很多!
锂电池到钠电池。
众所周知,元素周期表的IA族元素,原子核外最外层只有一个电子元素,化学性质活泼,在室温下可与水发生剧烈反应。将这种“顽固”的金属引入电池系统,必须使用非水电解质,设计成本高,安全也是一个大问题。
锂电池的设计起源于20世纪60年代至20世纪70年代。当时,世界正处于石油危机之中。迫切需要在汽车、航空、军事、医药等领域寻找新的替代能源。新电池已成为当前的热门研究课题。然而,当时的铅酸电池和镍镉镍氢电池都不能满足高能量密度的需求。在铅、镍、镉以外的元素中,第三元素“锂”因其广阔的发展前景而备受关注。
在元素周期表中,锂是序号最高、原子质量最低的金属,电极电势极低,制成电池后能满足更高的能量密度。锂电池还具有体积小、电压高、能量转化率高、自放电小等优点。1970年,世界上第一个锂电池诞生,最初以硫化钛为正极材料,金属锂为负极材料;经过技术升级,锂电池在20世纪90年代迅速占领了电子能源市场,不仅缓解了石油危机的迫切需要,而且在21世纪初扩散到电动汽车领域。
目前锂电池已成为新能源汽车的主流电池,循环寿命为500-1000次(磷酸铁锂可达8000次),比能量高达555Wh/kg,但自放电低至2%/月左右,远低于Ni-CD25-30%和Ni-MH30-35%。然而,锂电池也有一个令人头疼的问题:地壳中锂资源含量低,分布不均匀。我国锂矿主要依靠进口,原材料供应存在“颈部卡住”的风险。
锂电池制造成本飙升,这一痛点也给钠离子电池的发展带来了机遇。
与锂电池相比,钠电池具有许多不可替代的优点,最大的优点是资源丰度高。地壳中的钠储量丰富,分布广泛,质量分数占比高,而锂只占比高,相差400倍以上。因此,钠盐制成的电池具有无与伦比的成本优势。
钠电池的另一个优点是不会与铝箔发生反应,允许使用廉价的铝集流体来降低成本。可制成双极钠离子电池,在同一铝箔上涂上正负极材料,然后用固体电解质隔离正负极片,可定期堆叠成堆积木,提高性能。
至于钠电池能量密度低的缺点,并非没有回旋余地。可通过调整电极材料的形状、价格、混合、负担和复合材料的改性手段来改进。
锂电池:为什么会自燃?蜂窝电池技术令人惊讶。
新能源汽车的安全主要体现在电池上。自电动汽车问世以来,自燃、爆炸事件屡见不鲜,其原因往往是锂离子电池自燃所致。
2020年10月27日,一辆停放在北京北四环的新能源电动汽车因不明原因自燃爆炸。调查结果显示,电池供应商在生产中掺入杂质,导致电池锂分析异常,极端情况或电池短路,导致电池热失控和火灾爆炸风险。
锂离子电池自燃:是怎么引起的?
从结构上看,电动汽车的动力电池主要由电池和保护电路板组成,电池由正极、负极、电解质和隔膜组成,运行原理如下:
单个电池作为电池内部的核心元件,不能直接使用。一组电池首先需要根据模板进行排列和组合,加上电路板和外壳,制作电池模块作为成品电池,如下图所示。
在放电过程中,电池模块叠加了所有电池的风险,单个电池自燃的主要原因有两个:
1.电池短路导致热失控。当其他金属杂质与电池材料混合时,或导电粉尘、正负极错位、电解质分布不均匀等问题可能导致电池内部短路。低温充电和大电流充电会导致电池负极表面“锂分析”,产生尖锐的分支锂晶体,刺穿保护膜,导致热失控。在高热状态下,电池内部的有机电解质被分解,内部压力膨胀导致电池膨胀,电池破裂,最终导致自燃。
2.过度充电导致电失控。锂离子电池充电时,自由离子从正极迁移到负极石墨层,石墨层间距为,锂离子尺寸仅为,两层石墨可嵌入大量含锂化合物。负极(石墨)中储存的锂充满电后已达到饱和状态。如果继续充电,正极释放的阳离子只能沉积在石墨外,浓度不断积累,最终在表面沉淀金属单质,也会产生分支晶体,穿透隔膜,导致自燃和爆炸。
从电池类型来看,新能源汽车主要使用三元锂或磷酸铁锂作为动力电池,其中三元锂电池寿命较强,但其安全性不如磷酸铁锂,大多数自燃事故电池都是这种类型。
三元锂电池:高镍化明显,为何会增加安全隐患?
三元锂电池的正极材料是镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂,负极材料是石墨。电解质是以六氟磷酸为主的锂盐。其正极材料由镍、钴、锰/铝组成,故称“三元电池”。
其中,金属镍的主要作用是提高电池的能量密度,这也是实现高耐久性的关键。例如,特斯拉开发的4680电池采用高镍811作为正极材料,单体能量增加5倍,耐久性增加16%,功率输出增加6倍。
三元锂电池呈现出明显的高镍化趋势,但同时镍的化学性质活跃,对温度反应敏感。高镍化也会导致电池热稳定性差,更有可能诱发自燃。
蜂窝电池技术:适用于高镍电池和钠离子电池。为什么能防止自燃?
所谓蜂窝电池,就是根据蜂窝状空槽结构排列圆柱形电池,然后通过外延包覆灌胶重组技术设计的一套电池。
该技术不仅适用于高镍电池,也适用于新型钠离子电池,其最大的优点是主要的高安全性。
与大电池相比,蜂窝电池实现了“零”,即大电池制成多个单体容量较小的电池,每个电池由蜂窝结构隔离,类似于单独的小房间。即使其中一个电池出现故障,整个电池组也可以保持相对完好。
首先,蜂窝电池采用定向爆炸技术。当小电池内部电流短路时,只有上下两端才会发生定向爆炸,而不会引起侧面爆炸和壳体局部熔洞。
其次,整个电池组采用高强度阻燃塑料,爆炸产生的热量被隔热材料隔离,不会影响周围电池的运行。
最后一项保险是蜂窝电池的“机-电-热”耦合系统。电气控制系统实时监控电池组的安全状态。一旦电池发生定向爆炸,系统将立即打开智能温度控制,快速降低电池组的温度,确保电池组的稳定运行。
与大电池设计相比,蜂窝电池显然更有利于避免“热失控”,高比能、小容量的圆柱形电池有效降低了电池组的自燃风险。有些朋友可能会忍不住吐槽:这是靠牺牲耐力换来的安全,实用性不高!
事实上,这并不完全正确。尽管钠离子电池的电池寿命不足,但蜂窝电池实际上可以使用高能密度电池。例如,高镍811的三元锂电池的能量密度高达240Wh/kg,最大电池寿命可达602km。可以说,它考虑了电池寿命和安全性。
20分钟充满电!钠离子电池具有明显的优点。
钠离子电池的另一个优点是充电速度,常温下15分钟充电量可达80%以上,20分钟充电,而锂离子电池需要30~60分钟才能充电80%,全部充电可能需要2个小时。
为什么钠电池充电这么快?
这也要从充电原理入手。电池充放电的本质是阴阳离子在正负两极的迁移。钠/锂离子电池的充电是钠/锂离子从正极转移到负极的过程,相反。离子通过迁移改变其分布并产生电流,从而为外部电路提供电能。
钠电池快速充电的秘诀是钠离子的溶剂化能低于锂离子,在界面上扩散能力更强,速度更快。在相同浓度的电解质中,钠盐的离子电导率高于锂盐,这意味着钠盐具有更强的离子扩散能力。因此,无论是充放电,钠离子在正负两极的传输速度都比锂离子快,倍率性能更好。
值得一提的是,钠电池在低温和高温条件下仍然表现良好。研究表明,钠离子电池在零下40℃的低温下仍能保持70%以上的容量;在80℃的环境下,电池组仍然可以回收和放电,这也是锂电池的“硬伤”。
然而,钠电池也有自己的缺点。钠的离子半径较大,在电极材料中脱嵌时可能会导致材料破裂,影响电极的完整性。与锂相比,钠的标准电极电位更高,能量密度更低,功率有限。目前,它只能从A00级小型汽车推广,未来还有很长的路要走。
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