跨年寒潮，“電凍汽車”電池怎樣克服“體虛畏寒”?
www.163.com 2023-12-23 13:43出品|網(wǎng)易新聞
導(dǎo)語：還有幾天就要邁入2024年，恰逢“跨年寒潮”來襲，全國多地都發(fā)布了低溫預(yù)警，冬季電動車電池“體虛畏寒”續(xù)航縮水，不敢開空調(diào)?冬季才是電動汽車的「真焦慮期」。“一到冬天卻“原形畢露”，往返充電站的次數(shù)變多了，空調(diào)也不敢開了，開車時最佳取暖模式居然是“毛毯”!多么痛的領(lǐng)悟。
一、電動車發(fā)展十幾年，冬季續(xù)航縮水無明顯改善
根據(jù)2021年12月31日，中國汽研和新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布白皮書稱，國內(nèi)外近10年累計53款新能源汽車的低溫衰減數(shù)據(jù)表明，2012年-2021年期間，新能源汽車的低溫續(xù)駛里程保持率平均值及分布范圍并未發(fā)生顯著變化，65.38%的新能源汽車在低溫環(huán)境下的續(xù)駛里程保持率處于52.8%-67.2%左右。
目前純電動汽車大部分采用兩種電池，即三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的能量密度較三元鋰電池相差很多，磷酸鐵鋰電池單體能量密度通常在90-120Wh/kg之間，而三元鋰電池單體能量密度可以達到200Wh/kg左右，可見三元鋰電池的能量密度優(yōu)勢較為明確。
低溫條件下磷酸鐵鋰電池雖然耐高溫，但三元鋰電池耐低溫性能更好，是制造低溫鋰電池的主要技術(shù)路線，在零下20°C時，三元鋰電池能夠釋放70.14%的容量，而磷酸鐵鋰電池只能釋放54.94%的容量，且由于在低溫條件下，三元鋰電池的放電平臺遠遠高于磷酸鐵鋰電池電壓平臺啟動也更快。
二、為什么三元鋰離子電池比磷酸鋰鐵電池更耐寒?
電池冬季續(xù)航縮水的原因很簡單，在溫度低的時候，電池里面的一些電解液變得更加的黏稠,電解液的活性下降，鋰離子從負極移動到正極的過程不夠順暢，這就會導(dǎo)致電池的放電能力變差，產(chǎn)生的最直接的影響就是電池放電容量變低，從而導(dǎo)致續(xù)航降低。
三元材料是鎳鈷錳，以層狀結(jié)構(gòu)排列，但是磷酸鐵鋰采用的是八面體橄欖石結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了磷酸鐵鋰電池的容量更低，離子在三元鋰這種層級結(jié)構(gòu)中遷移非常容易，但八面體在遷移的過程中，阻力更大、活性變低，電量更容易受外界溫度環(huán)境影響。
三元材料鎳鈷錳和磷酸鐵鋰空間結(jié)構(gòu)對比
磷酸鐵鋰電池在0℃環(huán)境下容量保持率約60-70%，零下10℃時衰減到40-55%，零下20℃只剩下20-40%。
而三元鋰電池在-20℃條件下依然能夠保持正常電池容量約70%-80%，這也是為何搭載磷酸鐵鋰電池車型在冬季續(xù)航縮水更嚴重的原因所在。
低溫除了對電池放電容量有影響之外，對充電速度的影響也非常大。低溫環(huán)境下使用大功率充電，會導(dǎo)致電池負極出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，不光會對電池造成不可逆的損傷，析出的鋰離子結(jié)晶還有可能刺穿正負極之間的隔膜，造成內(nèi)短路，引發(fā)電池事故。
目前，不少電池企業(yè)都在解決電池“怕冷”這一問題上下大功夫。
三、15分鐘充電80%?鈉離子電池
鈉離子電池具有長壽命、寬溫區(qū)、高倍率、高安全、低成本、可與鋰離子電池共線等優(yōu)點，正在成為是產(chǎn)業(yè)發(fā)展新動力。鈉離子電池向下可以替代鉛酸電池，向上可作磷酸鐵鋰電池的補充。
2021年，電池頭部企業(yè)寧德時代走出“舒適圈”發(fā)布第一代鈉離子電池，可以在15分鐘充電80%，迅速催熱市場對鈉離子電池的熱情。
2023年一直被認為是鈉離子電池的發(fā)展元年。今年2月，行業(yè)首臺鈉離子電池試驗車搭載鈉電池裝車試驗;3月，雅迪發(fā)布搭載鈉電池的兩輪車;4月，寧德時代宣布，其鈉離子電池落地奇瑞車型。
鈉離子電池的研究可以追溯到上個世紀80年代，幾乎與鋰離子電池同時起步，但受限于技術(shù)瓶頸其研究一度陷入停滯。直到2000年，硬碳負極材料的發(fā)現(xiàn)，才使得鈉離子電池的研發(fā)再次活躍。隨著鋰離子電池原材料價格升高，鈉離子電池價格低廉、無資源限制等優(yōu)勢逐漸凸顯，作為鋰離子電池替代技術(shù)路線獲得快速發(fā)展。
鈉離子電池原理
鈉離子電池應(yīng)用目前面臨最大問題是能量密度低，鈉離子電池能量密度為300Wh/kg左右，磷酸鐵鋰電池能量密度在360Wh/kg-380Wh/kg，前者還有較大技術(shù)進步空間。鈉離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在遠沒有完成從“0到1”的突破，達到百吉瓦時的規(guī)模還需要時間。
鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化目前痛點很多，其中一大難題便是負極涂布，尤其是負極涂布的干燥技術(shù)。鈉離子電池負極目前多使用硬碳，其結(jié)構(gòu)晶距大、空隙多，涂布干燥非常困難，鋰離子電池負極遇到的所有問題還將在鈉離子電池領(lǐng)域進一步放大，如干燥不均等。
四、加熱讓電池“暖和點“好用，不簡單
既然低溫是“病因”，那讓電池“暖和點“不就解決問題嗎?其實在過去的幾年當中，汽車工程師們花費了大量的精力去思考如何讓電池在寒冷的冬天快速升溫。很多國產(chǎn)電動汽車都配備“電池加熱或預(yù)加熱”的功能。目前主要有外部加熱和自加熱兩種思路。
電池加熱的兩種方式
1)電池外部加熱
加熱膜和PTC您可以理解為是給電池包貼上了暖寶寶;而液冷循環(huán)系統(tǒng)更像是給動力電池家里裝了一套暖氣。
PTC(熱敏電阻)加熱器，原理很像家里的電吹風，高壓電加熱器通過給新能電動汽車安裝PTC加熱器，可將熱量傳送給電動汽車電池組，使其預(yù)熱，使其處于正常的工作溫度。
最難受的是，加熱膜和PTC這兩種方式對電池的加熱并不均勻。往往距離熱敏電阻絲較近的地方會升溫很快，而距離較遠的地方則遲遲熱不起來。所以越來越多的車企都采用主動液冷式電池加熱來控制電池包的溫度，通過加熱布置于動力電池系統(tǒng)中的冷卻液，以達到合適的工作溫度。
2)電池自加熱
一般而言通過對電池進行充電或放電都可以達到自加熱的目的。但在低溫環(huán)境下，對電池充電存在析鋰的風險。因此，必須嚴格控制充電電流的幅值，這就導(dǎo)致充電加熱法的加熱速度很慢。
相比之下，得益于放電過程中負極較高的電位，電池幾乎不存在析鋰的風險。因此，放電自加熱法更具應(yīng)用價值。內(nèi)部自加熱法電路構(gòu)成簡單，實現(xiàn)成本低，并且具有相當高的加熱速度。但其加熱過程中大量能量消耗在外部負載上，未得到充分利用。
五、作為電池“血液”的電解液
在2023年中國汽車論壇上，寧德時代首席科學家吳凱表示，目前寧德時代已開發(fā)出全新的電解液材料：新的電解液在零下20°C的極寒條件下可以將電池充電效率提高50%，正常溫度下則可以提高43%。
改變電解液成分提升鋰離子電池低溫性能
電解液作為電池的“血液”起著關(guān)鍵的作用。在低溫條件下，電解液的粘度會增加，導(dǎo)致鋰離子的遷移速度降低，從而增加電池內(nèi)部的極化和阻抗，影響電池的充放電效率和容量。此外，低溫充電時，鋰離子在負極表面容易形成金屬鋰或鋰枝晶，破壞電池結(jié)構(gòu)和安全性。
電解液是鋰離子電池中負責傳遞鋰離子的介質(zhì)，由溶劑、鋰鹽和添加劑等組成。溶劑是鋰離子的載體，常用的有碳酸酯類溶劑，如EC、PC、DMC、DEC等;鋰鹽是鋰離子的來源，常用的有LiPF6、LiBF4、LiFSI等;添加劑是用來改善電解液性能的物質(zhì)，如VC、FEC等。
因此，優(yōu)化電解液配方是提高鋰離子電池低溫性能的有效途徑之一。選擇低粘度、高電導(dǎo)率、低熔點的溶劑和鋰鹽，添加低溫添加劑，降低電解液粘度和熔點，提高鋰離子活性和擴散系數(shù)。添加成膜添加劑，促進在正負極表面形成穩(wěn)定且導(dǎo)電的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，抑制金屬鋰或鋰枝晶的生成，保護電池結(jié)構(gòu)和安全性。
除了電解液之外，還有其他因素也會影響鋰離子電池的低溫性能，如正負極材料、隔膜材料等。因此，要全面提升鋰離子電池的低溫適應(yīng)能力，還需要從多方面進行優(yōu)化和協(xié)調(diào)。例如，提高正負極材料的導(dǎo)電性和活性，增加隔膜材料的孔隙率和滲透性，采用自加熱技術(shù)等。
不過，即便如此，電動汽車電池還是存在低溫續(xù)航縮水，每年 “過冬”都像是一場考驗。
結(jié)語：
電池的工作性能和續(xù)航里程都還有待提高。對于我們消費者而言，一臺在冬季不會因為低溫“體虛畏寒”的電動汽車才是剛需。
參考文獻：
[1] 新能源車熱管理發(fā)展史
[2] 鋰電池常見的幾種低溫加熱技術(shù).2021-06
[3] 又快又省的動力電池自加熱技術(shù)真的十全十美嗎?2022-05
[4] 儲能科學與技術(shù). 鋰離子電池低溫快速加熱方法研究進展. 2022
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