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特斯拉选择松下18650锂电池的原因

来源:河南中创锂电池有限公司 更新日期:2018-04-30 10:44:48

  【编者按】本文作者弗雷刘,陶瓷材、锂电材料、动力电池、THU博士。现任职于清华大学能源互联网创新研究院,主要负责储能技术开发。   特斯拉为什么采用18650锂电池文章来自于:锂电池?   作为在一个研究所工作的工程师,终于有机会在自己的领域说几句了。   首先纠正一个概念,“锂电”是我们一般说的“锂离子电池”的简称,而有些人说的“铁电”,其实是使用磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池,它是“锂电”的一种。   先说简单版通俗型摘要:   特斯拉使用的松下18650锂电池,以NCA为正极,并且设计了复杂的电池管理系统,从而尽可能保证和提高了电池工作的高效性与安全性。至于是否绝对的安全,这个无法回答,你如果想说自燃,我还想说汽油车夏天也自燃呢。   对于纯电动汽车(不考虑插电混动以及纯混,人家可以靠汽油开挂),我们最最纠结的是什么?里程焦虑,就是开不远,因为电池的能存储的能量密度太低,车用电池成组后现在一般也就100~150Wh/kg的能量密度,汽油的这个数值大概是10000……所以哪怕你像乌龟一样背一车电池都不见得解决问题。大家天天吐槽电动汽车天天充电跑不远半路没电了怎么办,都是能量密度太低给害的。   现在电池技术的最大短板,就是能量密度太低,落后于摩尔定律无穷远,即使它们能量密度也不够高,关键是离实用还远。   所以至于为什么不采用磷酸铁锂电池,我想说,主要原因,应该是容量(Capacity单位是Ah),以及能量(Energy,即容量的Ah乘以电压,得到Wh)偏低(磷酸铁锂容量比三元低一点,电压还低,只有3.4V,所以乘出来的能量就更低了)。   实际的汽车用电池组都是串并联组合出来的,需要用串联来提高电压,此时,单节单池的电压以及不同电池之间的容量一致性显得非常重要,光说容量低是不严谨的。   本人的工作就是在国内某研究所做磷酸铁锂的某升级产品的研发,还同时乱看一些其它材料,锂电池和电动汽车的东西,所以在这里答一下。   要对比几种正极材料,我们就必须引入这个图,即五个重要性能判据:   Power功率,Life寿命,Cost成本,Safety安全,以及Energy能量。   对比的材料是NMC/NCA三元材料/NCA,LCO钴酸锂,LFP磷酸铁锂,LMO锰酸锂。NCA和NCM比较相近,算是材料中的近亲,因此在这里归为一类说。   LCO=LiCoO2,layered,NMC=LiNixMnyCozO2,layered,NCA=LiNi1-y-zCoyAlzO2,layered,LMO=LiMn2O4spinel,LFP=LiFePO4olivine   从这个图中,我们可以看出:   Energy能量最低(悲剧,容量低是一方面,3.4V的低电压才是问题,反面例子就是镍锰酸锂尖晶石,电压4.7V)。篇幅所限,就不在这里放充放电曲线了。   Power功率一点也不低(在鄙研究所自制的中试级磷酸铁锂,5C可以做到130mAh/g滴(当然PHOSTECH的也可以......)。包碳+纳米化材料倍率性能还是很强大的!   Life寿命和Safety安全性最优,这主要得益于该材料中聚阴离子PO43-的结合作用,使得氧结合的更好,与电解液的反应活性低,不像三元材料那样更容易出现一些产生氧气鼓泡等现象。寿命上,一般认为可以>4000次循环。   Cost成本,磷酸铁锂还不错,成本上仅次于LMO锰酸锂材料(这个东西,空气烧,锰源又便宜),第二有竞争力。磷酸铁锂的原料,磷铁锂都比较便宜,但是做成纳米粉需要一些成本,热处理又要在惰性气氛下进行,种种工艺要求,导致该材料的成本(国产的大约10W/t)不像LMO那么低(6~7W/t),但是比起NMC(13W/t),LCO(更贵)还是便宜一些的。   原因:钴比镍贵(我国贫钴啊有没有),镍比锰铁要贵,用什么原料,有什么成本。   ?然后再对比分析以下NCM/NCA材料   能量最有优势(电动汽车就想跑远点,这个最重要)。此外随着高镍NCM材料的研发推出,这个材料的能量密度还能有进一步的提升   功率还可以(其实也够用了,对于纯电动汽车,能量比功率特性更为重要,对于丰田Prius这种混动车,功率特性才更重要,但前提是能量不能太挫)   寿命,也不错。之前的时候,三元材料可能寿命在1000次左右,但是近几年来随研发工作的进展,该材料的寿命已经可以达到2000周(好像标准是还能保持80%还是多少,记不清了),这就已经很可观了,比如你电动汽车,一天一充,一年365次,2000次够你6年了,好多人这时都打算换车啦。   成本有点高(先承认这点)。   毕竟用了些镍钴金属,成本高点正常,但是这个材料至少比LCO钴酸锂便宜,所以以后在日常电子消费品领域,取代LCO材料还是比较有前途的。   安全差,尤其是相对于磷酸铁锂而言,NCM/NCA材料充电时会往外冒氧气,使用中出事的可能性也高于LFP材料,三元材料电池安全性一直存在一些问题。   但是说到这里,电池里不只有正极材料,我们还可以通过电解液成分调节,隔膜优化(陶瓷隔膜神马)以及优化电池控制系统(冷却,安全防护)来减轻这个问题。虽然NCM/NCA材料的安全性一直算是个问题,但是还是有提高的空间和解决的办法的。说能完全解决安全问题的,我认为都是在耍流氓。电池控制系统,是尽可能提高安全度,不可能保证100%安全。   哪个更安全?   所以在此对比一下这两个材料,最重要的能量密度上NCM/NCA完胜,寿命上NCM/NCA不差,安全上NCM/NCA差些,但是不严重,功率不算太重要,两者都不错,成本上NCM/NCA高一点。   但是在这里注意了:成本上NCM/NCA高,是单位质量的成本(rmb/kg)。   考虑到单位质量的NCM/NCA能量密度高(Wh/kg),所以折合成单位能量的成本的话(rmb/Wh),NCM/NCA还更有优势一些,所以从单位材料的成本来单纯计算,结果可能是比较有欺骗性的。   说到这里,我忍不住要吐槽:你们天天嫌电动车贵,就是因为电池用的多,就是因为单位能量的成本(rmb/Wh)这个数太高,其实真的很难降啊,我们都快喝西北风了啊啊啊啊==   另外一点,就是磷酸铁锂放电平台太平,不好做电池控制系统啊,NCM/NCA这方面就要好些。   不过作为一名磷酸铁锂研究狗,我也得为我们的材料说几句话:在追求安全性、倍率性的场合,磷酸铁锂电池还是有优势的,尤其是请天天吵着电动车、电池不安全的人多为我们磷酸铁锂投票。   此外磷酸铁锂不需要用镍钴这些玩意,对于国家资源安全是有所帮助的(好吧,其实也用不太多,不过这产业一旦大了用量也可观);   还有,磷酸铁锂材料毕竟寿命还是最好的,所以在某些要求时间的场合,它有优势(比如有的电池便宜,但是寿命可能只是磷酸铁锂的一半不到,折合使用时间后成本就不一样了,我才不告诉你是LMO呢),大家要学会算账。   在一些能量密度要求不是特别高的场合,磷酸铁锂还是有优势的,比如储能等新领域。   所以,说来说去,为了让纯电动汽车跑的更远,能量密度更高的电池更受青睐。 4051.html
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