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探究实现续航1000km的技术概念是什么样子(上)

2017-05-22 09:55
小鱼时代
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上周有个新闻“科学家开发薄片式电池 让汽车充电一次开1000公里”,报道了采用双极性电极的电池将可以实现1000公里的续驶里程,1000这个数字的确太吸引眼球了。我们来看一下这个新闻背后的EMBATT项目,看一下实现1000公里的技术概念是什么样子的。

双极性电极,1000公里续驶里程的助推器?(一)

如今,电池俨然成为了决定电动车未来的核心部件,这也不难理解那么多的电池制造商在电池技术上绞尽脑汁、期望有所重大突破,并且制定各种野心勃勃发展目标,例如:将电池系统的能量密度从250Wh/L左右提升到500Wh/L、同时大幅度降低生产成本。一方面,电池材料需要进一步优化,提高电池能量密度,另一方面,电池空间体利用需要提高、减小有限空间内的非活性材料。现有的电池封装package方式造成了大量的体积被非电池活性材料占据,无法充分利用有限的电池空间。为了实现这个目标, IAV公司与 Thyssenkrupp AG和Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems(IKTS)一起合作开发汽车底盘电池集成项目( EMBATT:chassis-embedded energy),直接将电池嵌入到汽车底盘,大幅度减少电池本身的结构件所占据的体积,达到提高能量密度Wh/L的目标。EMBATT概念的中心思想是采用双极性bipolar锂离子电池。在这个合作开发项目中,IAV主要负责车辆开发,包括车辆概念、测量安全、电池布局和设计、控制软件标定。IKTS主要负责定制化电池材料和电极的制造加工技术。Thyssenkrupp AG主要负责后期的电池生产。

基于EMBATT概念的双极性电池主要实现以下目标:

·大幅度降低系统复杂性,电池系统能量密度提高到500Wh/L

·降低内阻,减少冷却的需求

·使用更少的零部件,制造成本可以降低

·符合车辆安全要求

·采用先进电池材料,进一步提高能量密度

现在的锂离子电池将电极进行卷绕或叠片后放入壳体内(圆柱形、方形、或软包),然后再跟其他结构件、电子器件、管理单元集成到电池系统那个内。从单体电池到电池系统,由于大量非活性物质(结构件,电子元器件、线束等)的存在,能量密度损失高达40-60%左右(甚至更高),目前电池系统能量密度大致在120-300Wh/L(这里不是Wh/kg)。

EMBATT项目的电池开发目标旨在打破传统的电芯和模块的界限,将双极性电极制备的电池集成到底盘,并根据封装的尺寸不同,可以实现850-1200V的大型电池电压配置(大约2平方米左右的电池),从而使得1000公里的续驶里程成为可能。这个开发项目的挑战之一是如何生产双极性电极,因为这要求在电极的两侧涂敷上正极和负极两种不同的材料,最小电池单元的厚度大约在300微米,这是一个比较复杂的制备过程。电池的机械稳定性通过内外部的支撑结构实现。除了这些电池结构的特殊设计之外,另一个重点是要采用高效率的电池材料。EMBATT项目在负极材料上目前选择了钛酸锂LTO,正极选择了镍锰酸锂LNMO,单体电池的电压在3.2V左右(选择其他材料也可以,但是电压会低一点),下一步重要的材料是选择合适的电解液,从传统的液态电解液到固态电解质都在考查范围内,长远看,全固态电解质会成为最终选择,隔膜可选方案之一是陶瓷隔膜,这有助于将固态电解质的方案和隔膜集成在一起。EMBATT项目中的双极性电极是在集流体的两侧分别涂敷LTO作负极、LNMO作正极(其他正极材料也可以)。先用激光切割对双极性电极进行第一次预冲切,然后在进行二次冲切得到最终电极尺寸。然后采用叠片方式将双极性电极片堆叠起来,形成电池单元之间的串联。根据项目的研究进度,基于EMBATT概念的1000公里电动车预计在2025年发布。

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根据IKTS的介绍,EMBATT项目的概念来源于固体氧化物燃料电池SOFC的电堆结构设计,在项目中,IKTS主要承担:电池单元的设计概念研究;开发/优化电池活性材料、以及陶瓷隔膜和电解液;电池单元的制造工艺开发。

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