鉅大LARGE | 點擊量：293次 | 2023年09月18日
鋰離子電池不能兼顧高功率和高能量密度的原因有什么？
鋰離子電池：鋰離子電池，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時，M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的出產(chǎn)、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，今朝鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。
鋰電的負極表面有一層SEI膜，實際上鋰電的倍率性能很大程度上受到鋰離子在SEI膜中擴散的控制。由于有機電解液中粉末電極的極化相對水系要嚴(yán)重得多，在高倍率或者低溫條件下負極表面容易析鋰而帶來嚴(yán)重的安全隱患。另外，在大倍率充電條件下，正極材料的晶格容易受到破壞，負極石墨片層同樣也可能受到損害，這些因素都將加速容量的衰減，從而嚴(yán)重影響動力鋰離子電池使用壽命。
因此，嵌入式反應(yīng)的本質(zhì)特點決定了鋰離子電池并不適合高倍率充電。研究結(jié)果已經(jīng)證實，快充快放模式下單體電池的循環(huán)壽命將大幅下降，并且在使用后期電池性能顯著衰減。
當(dāng)然了有讀者可能會說，鈦酸鋰(LTO)電池不是可以大倍率充放電嗎？鈦酸鋰的倍率性能可以從其晶體結(jié)構(gòu)和離子擴散系數(shù)得到解釋。但是，鈦酸鋰離子電池的能量密度很低，其功率型用途是依賴犧牲能量密度取得的，這就導(dǎo)致了鈦酸鋰離子電池單位能量($/Wh)成本很高，低性價比決定了鈦酸鋰離子電池不可能成為鋰電發(fā)展的主流。事實上，日本東芝SCib電池這幾年低迷的銷售態(tài)勢已經(jīng)說明了問題。
在電芯層面，可以從極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來改善倍率性能，比如將電極做得比較薄或者新增導(dǎo)電劑比例等措施都是常用的技術(shù)手段。更加有甚者，甚至有廠家采用取消電芯中的熱敏電阻并且加厚集流體這樣的極端方法。而事實上，國內(nèi)很多動力鋰離子電池公司都將其LFP動力鋰離子電池在30C甚至50C的高倍率數(shù)據(jù)作為技術(shù)亮點。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
小編在這里要指出的是，作為探測手段無可厚非，但是電芯內(nèi)部究竟發(fā)生了什么變化才是關(guān)鍵。長時間高倍率充放，也許正負極材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，負極早已析鋰，這些問題要使用一些原位(In-Situ)的測試手段(比如SEM,XRD和中子衍射等)才能搞清楚。很可惜的是，這些原位測試手段在國內(nèi)電池公司幾乎沒有使用的報道。
小編在這里還要提醒讀者留意鋰電充電和放電過程的差別。與充電過程不同的是，鋰電在較高的倍率下放電(對外做功)對電池造成的損害并沒有快充那么嚴(yán)重，這點跟其它水系二次電池類似。但是對電動汽車的實際使用而言，高倍率充電(快充)的需求無疑要比大電流放電更加急切。
上升到電池包的層面則情況將更加復(fù)雜，在充電過程中不同單體電池的充電電壓和充電電流并不一致，必然造成動力鋰離子電池的充電時間要超過單體電池。這就意味著雖然采用常規(guī)充電技術(shù)也能在30分鐘內(nèi)將單體電池充電至容量的一半，但電池包肯定會超過這一時間，這在一定程度上意味著快速充電技術(shù)的優(yōu)點并不是十明顯顯。
另外，在鋰離子電池的使用(放電)過程中，其容量的消耗與放電時間并不是線性關(guān)系而是隨時間加速下降。比如某款電動汽車滿電的行駛里程為200公里，那當(dāng)它正常行駛100公里后，動力鋰離子電池可能還剩下80%的容量，當(dāng)電池容量剩下50%時，電動汽車也許就只能夠行駛50公里了。鋰離子電池的這種特性告訴我們，僅僅將動力鋰離子電池的電量充到一半或者80%，并不能夠滿足電動汽車實際使用要。比如Tesla宣傳較多的快速充電技術(shù)，在小編看來其實也是噱頭大過實用，而且頻繁的快充必將惡化電池的使用壽命和性能，并且?guī)韲?yán)重的安全隱患。
既然鋰電本質(zhì)上就不適合快充，那么理論上而言換電模式可以彌補其快充缺點。雖然將動力鋰離子電池設(shè)計成可插拔式會帶來整車結(jié)構(gòu)強度問題以及電氣絕緣方面的技術(shù)難題，而且還有電池標(biāo)準(zhǔn)和接口的超級難題，但小編個人認(rèn)為，這個模式不失為處理鋰電快充難題的一個技術(shù)上(也僅僅是在技術(shù)層面上而言)比較可行的方法。
在小編看來，電池租賃+換電模式之所以在全球范圍內(nèi)都還沒有成功先例，除了消費習(xí)慣的問題(車主認(rèn)為電池跟車相同都是其私有財產(chǎn)),緊要障礙在于隱藏于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)背后的巨大利益分配問題。在高度市場化的西方國家，處理這個問題的難度要比在我國大得多。小編個人認(rèn)為，換電模式將來在我國公交汽車、出租車或者共享汽車這幾個純電動汽車聚集使用的范疇，有可能會有較大的發(fā)展空間。
燃料動力鋰電池的高功率特性：相有關(guān)鋰離子動力鋰離子電池的快充難題，燃料動力鋰電池加注氫氣的問題要容易不少。目前幾乎所有的FC-EV，都可以在三分鐘內(nèi)加滿氫氣。雖然三分鐘比常規(guī)的加油時間要長點，但相有關(guān)特斯拉6小時的普充/半小時的快充，三分鐘顯然不值一提。但是將鋰電的快充問題和燃料動力鋰電池加氫進行比較，在小編看來并不恰當(dāng)。因為電動汽車充電和電網(wǎng)的結(jié)合很容易，而燃料動力鋰電池的加氫問題，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度遠比建充電站要大得多。
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