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你不知道的电动车电池那些事儿

发布时间:2023年2月17日 | 文章来源:金田铜业 | 浏览次数:530 |

你不知道的电动车电池那些事儿

根据专家统计,全球电动汽车销量从2018年的200万辆上涨至2022年的1,000多万辆,市场份额从2.5%涨至14%,随着全球电动汽车市场的蓬勃发展,推动了动力电池市场的发展,全球电动汽车电池装机量从2017年的59 GWh大幅增长至2022年的518 GWh,年复合增长率高达54%。

全球电气化大势所趋,彭博新能源财经(BloombergNEF)预计2023年全球电动汽车销量预计将再创新高,达到1360万辆。SNE Research则预计2023年全球电动汽车电池市场将从2022年的518 GWh增长至约749 GWh,再创历史新高。

按照电池结构以及作用原理动力电池可以分为蓄电池和燃料电池。

一、动力电池

动力蓄电池包括:锂离子动力蓄电池、金属氢化物镍动力蓄电池和超级电容器,不包括铅酸类蓄电池

经过技术发展以及企业出于对成本的考虑,汽车动力电池中铅酸蓄电池已经被淘汰,目前主流车企以锂电池为主,少数车企使用镍氢电池,例如丰田。

锂电池的优势:

1、量密度高:具有相同容量的锂离子电池重量仅为镍氢、镍镉电池的一半,具有相同容量的锂离子电池体积要比镍镉电池体积小40%-50%,比镍氢电池体积小20%-30% 2、无污染:不含铅、镉等对环境造成污染的物质

3、无记忆效应:充电前无需放电

4、使用寿命长:循环寿命次数超过500次

5、电压高:单片锂离子电池电压为3.6V,相当于3支镍镉、镍氢电池串联,

6、自放电效应小:室温下充满电的锂离子电池储存1个月后的自放电率为10%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。是继镍氢电池之后最受研发机构和汽车厂商青睐的车载电池。

锂离子电池缺点:安全性差、成本高等

锂离子电池=正极+隔膜+负极+电解液+外壳

正极=活性物质(Li(Me)O2)+导电剂(超导碳黑)+粘合剂(PVDF)+集流体

负极=活性物质(石墨、Si、Sn合金)+导电剂(超导碳黑)+增稠剂(CMC:羧甲基纤维素钠)+粘结剂(SBR:丁苯橡胶胶乳)+集流体

隔膜是具有一定孔隙率且电子绝缘的微孔薄膜,用于分离电池正负极,避免正负极接触而发生短路,主要材料有聚乙烯、聚丙烯。

电解液一般是由非水有机溶剂、锂盐以及部分添加剂组成,用于在电池内部正负极之间建立良好的离子导电通道,目前常用的有机溶剂是碳酸乙烯酯,锂盐主要是LiPF6

添加剂按功能可以分为阻燃添加剂、成膜添加剂等,常用材料包括磷酸三甲酯、碳酸亚乙烯酯等。

外壳主要是由铝、铝塑膜、不锈钢等材料构成。

锂离子充电时,位于阴极的锂的金属氧化物Li(Me)O2失去锂离子和等量电子,而阳极则得到电子和锂离子形成锂原子。放电时,阳极的锂原子分解成锂离子和电子再分别由原路返回阴极。在实际情况中,由于电子的传导速度接近光速,当电子到达电极时,锂离子在电解液中并不能瞬间达到,实际跟随电子到达电极的是电解液中原本存在的锂离子,电解液含有锂盐,由于电解液总是保持电中性,维持阴阳离子平衡,当一个锂离子进入电解液时,另一个锂离子就会离开。

集流体是是正负极材料的载体,即汇集电流的结构或零件,不仅可以承载活性物质,还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出。

集流体特性:电导率高,化学和电化学稳定、机械强度高、与电极活性物质的兼容性和结合力好,廉价易得,质量轻。故金属通常被作为集流体材料,目前应用广泛的铜和铝,铜由于在较高点位易被氧化所以通常用作石墨、硅、锡以及钴锡合金等负极活性物质的集流体(Anode)。常见的有铜箔集流体、泡沫铜集流体以及三维铜纳米线集流体。

目前随着市场越来越追求更高的能量密度与更低的成本,铜箔轻薄化大势所趋,从技术角度上讲,锂电铜箔越薄,电阻则更小,同时相应电池的重量也将减轻,从而提高能量密度以及降低成本。

从近几年的锂电铜箔产量来看,6μm及以下产量占比逐渐提升,2020年占锂电铜箔总产量的37%,从近几年的企业动作来看,轻薄化已经成为发展的明确方向,宁德时代6μm铜箔应用比例已超过90%,且正加速4.5μm铜箔的导入应用,从2021年的月度用量500~1000吨,且采购量仍在不断提高。

锂电铜箔轻量化势必会造成铜用量的减少,根据产业信息网数据显示,对于一个容量为50kWh的锂离子电池来说,8μm、6μm、4.5μm对应的锂电池能量密度分别为156.63 Wh/kg   ,161.89 Wh/kg,  165.6 Wh/kg,铜箔用量分别为41.5kg、31.13kg、24.21kg,可以看到用量(相较8μm)分别下降了25%和42%。按照铜价6.5万元/吨,铜箔加工费分别为3.5万/吨、4.5万/吨和7.5万/吨来测算,每辆新能源汽车的铜箔成本分别为4150元/吨、3424.3元/吨、3389.4元/吨,成本下降(相较8μm)分别为17.5%和18.3%。

 

金田铜带公司为宁波金田铜业(集团)股份有限公司铜板带材生产、经营主体,成立于2005年,拥有生产车间约12万平方米,固定资产超过10亿元。 经10多年的发展与沉淀,公司已成为国内先进的铜板带材加工制造基地,专注于各种高精度铜板带材的研发与生产,位列中国铜板带材企业第5名。公司产品有各种高精度锡磷青铜带、紫铜带、黄铜带、引线框架铜带、铜镍硅铜带和锌白铜带,符合欧盟ROHS指令要求,主要应用于电子、电气、通讯、网络、机械五金、建筑和家电等行业,畅销国内各省市,远销韩国、日本、香港、以及东南亚等国家和地区,已与公牛集团、美的集团、欧普照明等多家知名企业建立了良好的合作关系。

二、燃料电池

燃料电池是一种清洁、高效、可靠、安静的能源,其通过电化学反应把氢、氧燃料的化学能转化成电能的电池,和传统燃油发动机不同的是,反应产物只有水,同时产生电和热。燃料电池理论上来说并不是电池,而是一种发动机。电池是一种储能装置,燃料电池并不储能而是通过“燃烧”氢气将化学能转换成电能,是一种能量转换装置,原理上讲相当于传统内燃机。

燃料电池工作原理是氢分子在阳极分解成质子和电子,质子通过质子交换膜到达阴极。电子则被迫穿过电路生成电流和多余的热量,之后二者在阴极与氧原子反应生成水。每个电池通常产生 0.6~0.7V,通过串联多个电池,可以生产具有所需电压的燃料电池组。(丰田Mirai(2022款)燃料电池堆装载330片电池片)

燃料电池优点:能量密度高,环境适应性广等

缺点:成本高,其成本从每辆车对于电池能力要求的生产再到基础设施建设都是锂电池的几倍甚至几十倍。

燃料电池=质子交换膜+催化剂+气体扩散层+双极板。

催化剂由纳米级Pt颗粒以及大比表面积活性碳构成,由于含有贵金属Pt,催化剂在燃料电池中的成本占比最高,对于年产能1万套的生产线来说成本在50%左右。中国工程院院士衣宝廉在中国电动汽车百人会论坛(2019)中提到国际上燃料电池Pt用量在0.2g/kW,国内则达到了0.4g/kW。如果按照每辆汽车燃料电池功率120kW计算,单车用量在24~48g,1g Pt大约200元,则单车仅金属Pt成本就7000元左右。质子交换膜主要功能是迫使电子走外电路到达阴极,并阻止氢分子、水分子等通过,同时运输氢离子(质子)至阴极与电子反应构成回路,质子交换膜需要有高质子交换率,低电子导电率和气体渗透性,化学稳定性好,热稳定性好等特性,对燃料电池的性能起着非常重要的作用,目前主流材料是全氟磺酸型膜。气体扩散层主要是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道,并支撑催化剂,通常由碳布 /碳网和防水剂聚四氟乙烯构成,具备抗腐蚀,多孔透气,高导电性以及高疏水性等特点,其成本占电堆4%左右。

双极板因其具有的有良好的导电性,适宜的亲、疏水性,阻气性以及抗腐蚀性等,在燃料电池中主要有以下几个作用:

①输送和分配燃料

②隔离氢气和氧气

③连接两节相邻单电池。

石墨双极板主要材料就是石墨,金属双极板通常选用钛合金或不锈钢,复合双极板可以分为非金属基和金属基,非金属基主要应用材料包括树脂、碳纤维等,金属基则是用合金板作为隔板,碳基材料作为流场,结合了金属板与碳基板的优点。

燃料电池堆是由燃料电池单体易串联的方式层叠组合而成,双极板与膜电极MEA(质子交换膜、催化剂、气体扩散层)交替叠加,同时嵌入密封件,并在两端置入集流板以及绝缘板,再经前后端板压紧后用螺栓紧固。从结构以及材料上看,燃料电池中最有可能用到铜的地方就是集流器,集流器常用材料包括铜、镍、镀金的金属板。根据Strategic Analysis Inc.在2018年对丰田Mirai(2017款)燃料电池堆进行的DFMA成本测算来看,集流器成本为7美元,按照当年LME铜均价6500美元/吨计算,估计用铜量为1.08kg,Mirai(2017款)燃料电池功率为114kW,从燃料电池堆组装结构看,增加功率只需叠加单片电池即可,当功率变化不大时,可以假设对于集流器铜用量影响不大。

燃料电池汽车的动力系统主要由燃料电池堆、升压转换器、动力电池、高压氢气罐、电动机、动力控制单元、辅助部件等组成。升压转换器可以将不到300V的电压升至650V,这是由于燃料电池单片电压较低,通过引入升压转换器可以减少燃料电池片堆叠数量,控制燃料电池堆的体积和质量。动力电池常为锂电池,容量较小,一般在1~2kWh之间,动力电池的作用有两个,一个是在制动减速时可以回收能量,另一个是需要大功率输出时配合燃料电池共同驱动电机。储氢罐类似油箱,储存氢气作为燃料,通常工作压力在70Mpa左右,可以储存约5~6kg左右的燃料,氢气的能量密度为33.6kWh/kg,是锂离子电池材料的10倍以上,燃料电池作为开放系统,其能量密度的实质上取决于储氢量,未来在储氢技术不断发展的情况下,燃料电池的能量密度相比锂电池有更大的提升空间。

目前全球市场上燃料电池乘用车商业化应用尚处在起步阶段,主流上市车型包括丰田Mirai、现代Nexo以及本田Clarity Fuel Cell(本田于2021年6月15日宣布暂停生产),此外还有梅赛德斯奔驰仅租赁给特定用户的GLC f-Cell。2021年全球主要国家燃料电池汽车销量达16313辆,同比2020年增长68%,其中韩国销量8498辆占比52%。从全球燃料电池汽车保有量结构来看主要以乘用车为主,占全球FCEVs的82%。中国与全球结构不同,主要以商用车为主,根据中国汽车工业协会统计,2021年中国燃料电池汽车销量1556辆,其中商用车占比99.4%。

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