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水电与新能源协调发展前景广阔

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水电与新能源协调发展前景广阔

发布日期:2018-06-22 15:21 来源:http://www.xakydl.com 点击:

充电的快慢和动力电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关,其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力电池在快充技术方向上的应用趋势。

电动汽车在使用中,消费者最为担心的还是充电时间和续航里程的问题,在目前的技术水平下,充电时间与续航里程难以兼得,因此动力电池也就发展出了两条路线,一种是专注续航里程的比能量派,主要是通过不断的提高锂离子电池的比能量,从而增加电动汽车的续航里程;第二种是专注减少充电时间的快充派,主要是通过改善锂离子电池的快充性能,缩短电动汽车的充电时间。随着技术进步和对锂电池材料的深入研究,快充技术曾经遇到的难题可能也会一一迎刃而解。

如何理解快充?

要理解快充,一个专业术语是逃不掉的——充放电倍率C,可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率,决定了我们可以用多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。

根据2018年新能源汽车补贴政策,充电倍率小于3C的属于非快充类纯电动客车,充电倍率高于(含)3C则属于快充类纯电动客车类。但快充的补贴划分只针对新能源客车,无乘用车和物流车标准。

根据业界及宁德时代(300750)的定义,电动汽车快充是指充电电流大于1.6C的充电方式,也就是从0%充电到80%时间小于30分钟的技术。笔者综合多方意见,提出充电倍率小于1.6C为慢充,1.6C-3C为小快充,3C以上为快充。多数电动乘用车都能达到“小快充”,快充型客车的充电倍率则大部分集中在3C-5C。

如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就像优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

快充时,锂离子需要加速瞬时嵌入到负极。这对负极快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池在快充时负极会出现副产物,影响电芯的循环和稳定性。能量密度与功率密度,在同一只电池中可以说是顾此失彼的两个方向。

无论是国家政策导向还是企业技术布局,普遍追求高能量密度。当动力电池的能量密度足够高,一台车装载电量足够大,可以避免所谓“里程焦虑”,对于快速充电的需求就会降低。但是,电量大了,如果成本没有降下来也很难被市场接受。因此,如果能在控制好电池成本的前提下,用便捷的充电能力+适用的续航里程,就能极大缓解用户焦虑,这样一来快充就有存在的价值。

不同技术路线电池的快充应用前景

充电的快慢和动力电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关,其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力电池在快充技术方向上的应用趋势。各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池,但适用性和优劣各不相同。

1、三元快充型电池更适用于电动乘用车

三元电池因其有较高的能量密度更受到重视,材料本身导电性能优异,但反应活性太高,因此对快充安全性提出了较大的挑战。

三元电池快充体系的代表企业有宁德时代、比克等。宁德时代研发了“超导电子网”和“快离子环”技术,可实现15分钟内SOC从5%充电到85%,能量密度190Wh/kg,循环寿命超过2500次,主要应用领域为乘用车,预计2018年内具有批量生产的能力。

比克今年5月最新推出的3.0高能芯通过引入硅系负极材料、高镍正极材料,以及专门开发的电解液,其能量密度高达近250Wh/kg,可实现500公里超长续航里程。通过充电策略设计,有效缩短充电时间,提高充电效率。在极端的应急模式下,充电10分钟可行驶60公里。

按照燃油车的使用习惯,要实现充电时间在10-20分钟以内完全充满电,充电倍率至少需要3-6C之间。目前市面上的纯电动乘用车大多数是半小时到1小时充满80%电量,比以前两三小时的充电时间已提升了不少,未来有望进一步压缩到20分钟内。

2、磷酸铁锂快充乘商均可用

磷酸铁锂在快充领域不具有先天优势,从材料上看,磷酸铁锂材料的本征电导率比较低,仅为三元材料的百分之一,需要对磷酸铁锂材料进行导电性优化才能满足快充的需求。但磷酸铁锂的材料成本相对较低,结合成熟的技术背景及稳定的产品性能,有较为广泛的应用前景,代表企业有宁德时代、沃特玛等。

受限于理论能量密度的极值限制,磷酸铁锂未来在能量密度方面的发挥空间不大。但对于客车、物流车、专用车等商用车现已选用磷酸铁锂体系而言,对于能量密度的提升并不是必须的,而快充则越来越体现出其重要性。

3、锰酸锂电池适用于插电式混动客车

锰酸锂电池具备功率性能、放电倍率性能、低温性能好,电压频率高的特点,且在三元上游原材料疯涨的态势下,锰酸锂的成本优势正在逐步突显。但在能量密度、高温性能等方面仍然需要提升。近年来,锰酸锂快充电池在插电式混动客车领域占比增长显著,代表企业为中信国安(000839)盟固利、亿鹏新能源、微宏动力。

然而,锰酸锂电池在高温条件下循环性能欠佳,通过正极掺杂可以改善锰酸锂电池高温性能,但改性后的锰酸锂材料已非“原来的锰酸锂”了。业内常用“多元复合材料”,正极采用三元材料和锰酸锂混合体系,负极则采用多孔复合碳,进一步提升快充的性能,但安全性仍然需要重点关注并不断提升改进。

4、钛酸锂快充电池适用于纯电动客车

钛酸锂动力电池是以负极材料命名,正极采用三元材料,以珠海银隆、微宏动力、天津捷威为典型企业。从性能来看,钛酸锂电池的低温性能优越、安全性和循环使用性能较好,作为快充电池的倍率性能也得到业界的肯定。但是钛酸锂目前突出的问题有两点:其一,能量密度相对较低,在政策、市场均要求不断提升能量密度的压力下,当前钛酸锂的市场份额在整个动力电池市场中占比较低。其二,受高成本的小金属材料如钛、镍、钴的影响,钛酸锂电池成本明显要高于其他体系。

钛酸锂电池在循环寿命方面明显优于其他体系快充型电池,这因材料本身特性,即“零应变”特性决定。但其劣势明显,能量密度较低,能量密度只有三元体系的一半左右。再加之价格偏高,目前大多是在快充公交上应用,后续亟需寻求更高电压的正极材料及匹配电解液来解决此缺陷。

5、快充新方向——钛铌氧化物负极材料

钛铌氧化物是基于钛酸锂的基础上研发产生的,主要优势在于相对于钛酸锂理论容量175mAh/g,钛铌氧化物的理论容量在280mAh/g左右。

2017年10月,东芝官方宣布已成功研发新一代车用锂离子电池,有望在2019年商用。该电池采用钛铌氧化物材料,相对目前三元、磷酸铁锂等技术,实现颠覆性进步。新电池具备能量密度高、充电效率快等优点,只需充电6分钟就能达到90%的电量,可行驶320公里。目前锂电池平均需30分钟才能充至80%电量。

此外,“石墨烯电池”的概念一直比较火热,但行业内也存在争议。在锂电池中应用,石墨烯主要做负极活性材料和导电添加剂。单就快充能力来看,采用石墨烯作为导电剂,或用石墨烯包覆磷酸铁锂/三元锂材料,能达到较好快充效果。但综合成本、工艺难度等指标来看,仍有很大挑战性。

快充产品市场前景

能量密度高,充电快,价格便宜,这是用户最期待的理想型动力电池产品。然而“鱼与熊掌不可兼得”,在现有的锂离子电池体系下,倍率性能、能量密度、寿命、安全性、价格等动力电池最重要的五个指标都固定在比较稳定的雷达图里面,提高任何一个指标,其他的指标相对来说都会受到损失。

目前快充动力电池主要应用于新能源客车,因其对城市及受众单位选择性强,即有相对财力支持的城市或单位,比较倾向于快充型电池客车。但从市场发展潜力来看,未来乘用车、专用物流车的增速及市场规模将高于客车,因此未来快充型动力电池的消费结构将会向这两类车型偏移。

根据电池中国数据,2017年我国快充客车产量6486辆,电池装机量达597.52MWh,占新能源客车总量的6%。其中,快充客车产品充电倍率最高为6.42C。倍率在3C-5C车型产量为4771辆,电池装机量为480.68MWh;倍率在5C-10C车型产量为1715辆,电池装机量为116.84MWh。目前快充客车快充倍率主要集中在3C-5C之间。从电池类型来看,2017年快充客车的电池材料主要以钛酸锂为主,装机量为571.54Mwh,占比95.65%。

根据2017年4种类型动力电池出货量,1.54GWh锰酸锂部分用于插电式混动汽车,部分满足小快充要求,16GWh三元电池汽车部分满足小快充要求。整体来看,三元快充电池适合乘用车,磷酸铁锂、钛酸锂等快充电池适合客车,锰酸锂快充电池适合插电式混动汽车,钛铌氧化物或是快充新方向。

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