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跨年寒潮,“电冻汽车”电池怎样克服“体虚畏寒”?

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出品|网易新闻

导语:还有几天就要迈入2024年,恰逢“跨年寒潮”来袭,全国多地都发布了低温预警,冬季电动车电池“体虚畏寒”续航缩水,不敢开空调?冬季才是电动汽车的「真焦虑期」。“一到冬天却“原形毕露”,往返充电站的次数变多了,空调也不敢开了,开车时最佳取暖模式居然是“毛毯”!多么痛的领悟。



一、电动车发展十几年,冬季续航缩水无明显改善

根据2021年12月31日,中国汽研和新能源汽车国家大数据联盟发布白皮书称,国内外近10年累计53款新能源汽车的低温衰减数据表明,2012年-2021年期间,新能源汽车的低温续驶里程保持率平均值及分布范围并未发生显著变化,65.38%的新能源汽车在低温环境下的续驶里程保持率处于52.8%-67.2%左右。



目前纯电动汽车大部分采用两种电池,即三元锂电池与磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池的能量密度较三元锂电池相差很多,磷酸铁锂电池单体能量密度通常在90-120Wh/kg之间,而三元锂电池单体能量密度可以达到200Wh/kg左右,可见三元锂电池的能量密度优势较为明确。



低温条件下磷酸铁锂电池虽然耐高温,但三元锂电池耐低温性能更好,是制造低温锂电池的主要技术路线,在零下20°C时,三元锂电池能够释放70.14%的容量,而磷酸铁锂电池只能释放54.94%的容量,且由于在低温条件下,三元锂电池的放电平台远远高于磷酸铁锂电池电压平台启动也更快。



二、为什么三元锂离子电池比磷酸锂铁电池更耐寒?

电池冬季续航缩水的原因很简单,在温度低的时候,电池里面的一些电解液变得更加的黏稠,电解液的活性下降,锂离子从负极移动到正极的过程不够顺畅,这就会导致电池的放电能力变差,产生的最直接的影响就是电池放电容量变低,从而导致续航降低。

三元材料是镍钴锰,以层状结构排列,但是磷酸铁锂采用的是八面体橄榄石结构,导致了磷酸铁锂电池的容量更低,离子在三元锂这种层级结构中迁移非常容易,但八面体在迁移的过程中,阻力更大、活性变低,电量更容易受外界温度环境影响。


三元材料镍钴锰和磷酸铁锂空间结构对比

磷酸铁锂电池在0℃环境下容量保持率约60-70%,零下10℃时衰减到40-55%,零下20℃只剩下20-40%。

而三元锂电池在-20℃条件下依然能够保持正常电池容量约70%-80%,这也是为何搭载磷酸铁锂电池车型在冬季续航缩水更严重的原因所在。

低温除了对电池放电容量有影响之外,对充电速度的影响也非常大。低温环境下使用大功率充电,会导致电池负极出现析锂现象,不光会对电池造成不可逆的损伤,析出的锂离子结晶还有可能刺穿正负极之间的隔膜,造成内短路,引发电池事故。

目前,不少电池企业都在解决电池“怕冷”这一问题上下大功夫。

三、15分钟充电80%?钠离子电池

钠离子电池具有长寿命、宽温区、高倍率、高安全、低成本、可与锂离子电池共线等优点,正在成为是产业发展新动力。钠离子电池向下可以替代铅酸电池,向上可作磷酸铁锂电池的补充。

2021年,电池头部企业宁德时代走出“舒适圈”发布第一代钠离子电池,可以在15分钟充电80%,迅速催热市场对钠离子电池的热情。



2023年一直被认为是钠离子电池的发展元年。今年2月,行业首台钠离子电池试验车搭载钠电池装车试验;3月,雅迪发布搭载钠电池的两轮车;4月,宁德时代宣布,其钠离子电池落地奇瑞车型。

钠离子电池的研究可以追溯到上个世纪80年代,几乎与锂离子电池同时起步,但受限于技术瓶颈其研究一度陷入停滞。直到2000年,硬碳负极材料的发现,才使得钠离子电池的研发再次活跃。随着锂离子电池原材料价格升高,钠离子电池价格低廉、无资源限制等优势逐渐凸显,作为锂离子电池替代技术路线获得快速发展。


钠离子电池原理

钠离子电池应用目前面临最大问题是能量密度低,钠离子电池能量密度为300Wh/kg左右,磷酸铁锂电池能量密度在360Wh/kg-380Wh/kg,前者还有较大技术进步空间。钠离子电池产业现在远没有完成从“0到1”的突破,达到百吉瓦时的规模还需要时间。

钠离子电池产业化目前痛点很多,其中一大难题便是负极涂布,尤其是负极涂布的干燥技术。钠离子电池负极目前多使用硬碳,其结构晶距大、空隙多,涂布干燥非常困难,锂离子电池负极遇到的所有问题还将在钠离子电池领域进一步放大,如干燥不均等。

四、加热让电池“暖和点“好用,不简单

既然低温是“病因”,那让电池“暖和点“不就解决问题吗?其实在过去的几年当中,汽车工程师们花费了大量的精力去思考如何让电池在寒冷的冬天快速升温。很多国产电动汽车都配备“电池加热或预加热”的功能。目前主要有外部加热和自加热两种思路。


电池加热的两种方式

1)电池外部加热

加热膜和PTC您可以理解为是给电池包贴上了暖宝宝;而液冷循环系统更像是给动力电池家里装了一套暖气。

PTC(热敏电阻)加热器,原理很像家里的电吹风,高压电加热器通过给新能电动汽车安装PTC加热器,可将热量传送给电动汽车电池组,使其预热,使其处于正常的工作温度。



最难受的是,加热膜和PTC这两种方式对电池的加热并不均匀。往往距离热敏电阻丝较近的地方会升温很快,而距离较远的地方则迟迟热不起来。所以越来越多的车企都采用主动液冷式电池加热来控制电池包的温度,通过加热布置于动力电池系统中的冷却液,以达到合适的工作温度。

2)电池自加热

一般而言通过对电池进行充电或放电都可以达到自加热的目的。但在低温环境下,对电池充电存在析锂的风险。因此,必须严格控制充电电流的幅值,这就导致充电加热法的加热速度很慢。

相比之下,得益于放电过程中负极较高的电位,电池几乎不存在析锂的风险。因此,放电自加热法更具应用价值。内部自加热法电路构成简单,实现成本低,并且具有相当高的加热速度。但其加热过程中大量能量消耗在外部负载上,未得到充分利用。

五、作为电池“血液”的电解液

在2023年中国汽车论坛上,宁德时代首席科学家吴凯表示,目前宁德时代已开发出全新的电解液材料:新的电解液在零下20°C的极寒条件下可以将电池充电效率提高50%,正常温度下则可以提高43%。


改变电解液成分提升锂离子电池低温性能

电解液作为电池的“血液”起着关键的作用。在低温条件下,电解液的粘度会增加,导致锂离子的迁移速度降低,从而增加电池内部的极化和阻抗,影响电池的充放电效率和容量。此外,低温充电时,锂离子在负极表面容易形成金属锂或锂枝晶,破坏电池结构和安全性。

电解液是锂离子电池中负责传递锂离子的介质,由溶剂、锂盐和添加剂等组成。溶剂是锂离子的载体,常用的有碳酸酯类溶剂,如EC、PC、DMC、DEC等;锂盐是锂离子的来源,常用的有LiPF6、LiBF4、LiFSI等;添加剂是用来改善电解液性能的物质,如VC、FEC等。

因此,优化电解液配方是提高锂离子电池低温性能的有效途径之一。选择低粘度、高电导率、低熔点的溶剂和锂盐,添加低温添加剂,降低电解液粘度和熔点,提高锂离子活性和扩散系数。添加成膜添加剂,促进在正负极表面形成稳定且导电的固体电解质界面膜(SEI),抑制金属锂或锂枝晶的生成,保护电池结构和安全性。



除了电解液之外,还有其他因素也会影响锂离子电池的低温性能,如正负极材料、隔膜材料等。因此,要全面提升锂离子电池的低温适应能力,还需要从多方面进行优化和协调。例如,提高正负极材料的导电性和活性,增加隔膜材料的孔隙率和渗透性,采用自加热技术等。


不过,即便如此,电动汽车电池还是存在低温续航缩水,每年 “过冬”都像是一场考验。

结语:

电池的工作性能和续航里程都还有待提高。对于我们消费者而言,一台在冬季不会因为低温“体虚畏寒”的电动汽车才是刚需。

参考文献:

[1] 新能源车热管理发展史

[2] 锂电池常见的几种低温加热技术.2021-06

[3] 又快又省的动力电池自加热技术真的十全十美吗?2022-05

[4] 储能科学与技术. 锂离子电池低温快速加热方法研究进展. 2022

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