老王同志在一个亿的小目标之后,又爆出五个亿的小投资,刷爆朋友圈。
    “董明珠的故事告诉男同胞:女人如果真想要买点东西,是谁也拦不住的。要是真的想要而你又不给买,自然有隔壁老王给买。”这句玩笑也是随处可见。
  
  董明珠看重银隆的,其实核心不是新能源车,而是电池。
  从董小姐自己的对外发言中也可以看出。她强调的也是银隆电池技术“使用寿命30年,6分钟充满电,高温60度,低温零下50度正常运行。”
  我们仔细看看到底什么技术。
  1、锂离子电池的结构与工作原理

  所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的,独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,俗称“锂电”。
  
  
  当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态,一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
  做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2 +3x+5y)/2)等。
  电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。
  隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低,而且具有较高的抗穿刺强度,起到了热保险作用。
  外壳采用钢或铝材料,盖体组件具有防爆断电的功能。
  
  2、为什么选择“锂电”

  在谈及电池的时候,能量密度和功率密度是两个经常提到的量。
  
能量密度(Wh/kg)指的是的单位重量的电池所储存的能量是多少,1Wh等于3600焦耳(J)的能量。
功率密度(W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。
  能量密度是由电池的材料特性决定的,普通铅酸电池的能量密度约40Wh/kg,常用的电动两轮车用铅酸电池包为48V,10Ah, 储能480Wh,所以可以简单估计这种电池包的重量至少在12kg以上。
  铅酸电池的能量密度是比较低的,所以无法用作电动汽车的动力源,因为如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200km以上,需要将近1吨的电池,这个重量太大了,无法达到实用,当然铅有毒也是一个方面原因,铅酸电池的循环性能也比较差,但是我们可以看到,仅丛能量密度上就可以判断出铅酸电池不能作为纯电动汽车的动力源。目前比较热的锂离子电池的能量密度约在100~150Wh/kg左右,这个值比铅酸电池高出2~3倍,且锂离子电池的循环性要远远高于铅酸电池,所以目前锂离子电池是开发电动汽车的首选电池。
  功率密度也是由材料的特性决定的,并且功率密度和能量密度没有直接关系,并不是说能量密度越高功率密度就越高,用专业的术语来说,功率密度其实描述的是电池的倍率性能,即电池可以以多大的电流放电,功率密度对于电池开发以及电动车开发而言非常重要,如果功率密度高,则电动车在加速的时候就会非常快,普通的铅酸电池的功率密度一般只有几十~数百瓦特/千克,这是一个非常低的值,表明铅酸电池的高倍率放电性能较差,而锂离子电池目前的功率密度可以达到数千瓦特/千克。
  值得指出的是,能量密度和功率密度都是一个会变化的量,电池在使用多次以后能量密度会降低(电池容量衰减),功率密度也会下降,并且这两个量也是随着环境的变化而变化的,比如在极为寒冷或炎热的季节中它们都会发生一定程度的变化(一般是减少)。
  目前还没有任何一种电池的能量密度可以达到实用化的驱动电动汽车具有几百公里的续航里程。提高电池的能量密度也是目前电池研发中的重中之重,在安全性得到解决的前提下,如果电池的能量密度可以达到300~400Wh/kg的话,就具备了和传统燃油机车较量续航里程的资本,但是电池还有一个知名的问题就是寿命,电池的能量密度会随着电池的使用而衰减,并且这种衰减并非是线型的,而可能是突然的降低,所以,在开发车用电池的时候,循环性同样是决定性的因素。
  “2020年动力电池模块的能量密度达到300瓦时/千克”被政府和业界作为下一段发展目标提出。现在距离2020年还有7年时间,可产业化的下一代动力电池却还没有浮出水面。学者们看好锂硫电池、锂氧电池等新材料电池,而从业者则对下一代动力电池产业化前景更为悲观,认为达到300瓦时/千克的材料,现在还没看到。
  400-500公里的续驶里程对于传统燃油汽车来说是十分容易达到的数值,而对于电动汽车来说却遥不可及。目前,主流电动汽车续驶里程多在200公里以下,少数如比亚迪E6、特斯拉Model S等则通过增加电池组数量,牺牲车重、成本经济性的方式增加续驶里程,其模式难以推广。
  即使不要求电动汽车的续驶里程与传统燃油汽车看齐,仅仅是从更高效率的角度看,提升电池比能量、降低电池重量也是必须的。而现阶段单体电池比能量仅110-120Wh/kg,组合成电池包后,电池系统能量密度还不到90Wh/kg。
  从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池,能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言,相对于人类对能量的需求程度而言,显得太慢了。甚至有人戏言,人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然,如果哪一天能够实现全球电力无线传输,到哪儿都能“无线”获得电能(像手机信号一样),那么人类也就不再需要电池了,社会发展自然也就不会卡在电池上面。
  影响锂离子电池能量密度的因素有很多,就锂离子电池现有的化学体系和结构而言,具体都有哪些明显的限制呢?
  前面我们分析过,充当电能载体的,其实就是电池当中的锂元素,其他物质都是“废物”,可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体,这些“废物”又是不可或缺的。举个例子,一块锂离子电池当中,锂元素的质量占比一般也就在1%多一点,其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。
  3、关于锂电池的电极之争

  作为锂离子电池负极材料-钛酸锂,可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池。此外,它还可以用作正极,与金属锂或锂合金负极组成1.5V的锂二次电池。由于钛酸锂的高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点。
  在董明珠看来,钛酸锂与珠海银隆都是被埋在沙子里的金子,我们要做“把金子从沙子里刨出来的人”。这一番言隐约透露出要“捧红”钛酸锂电池的节奏。那么,董明珠之于银隆(钛酸锂电池),能否做到像王传福之于比亚迪(磷酸铁锂电池),马斯克之于特斯拉(三元锂电池)一样成功呢?
  磷酸铁锂电池:

  是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。其特色是不含钴等贵重元素,原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富,不会有供料问题。其工作电压适中(3.2V)、单位重量下电容量大(170mAh/g)、高放电功率、可快速充电且循环寿命长,在高温与高热环境下的稳定性高。
  
  
优点:相比目前市面上较为常见的钴酸锂和锰酸锂电池来说,磷酸铁锂电池至少具有以下五大优点:更高的安全性、更长的使用寿命、不含任何重金属和稀有金属(原材料成本低)、支持快速充电、工作温度范围广。
缺点:磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷,如振实密度与压实密度很低,导致锂离子电池的能量密度较低;材料的制备成本与电池的制造成本较高,电池成品率低,一致性差;产品一致性差;知识产权问题。
  注:振实密度或者说体积密度(在一些工业领域称为松装密度)定义为样品的质量除以它的体积,这一体积包括样品本身和样品孔隙及其样品间隙体积。堆积密度对于表征催化剂、发泡材料、绝缘材料、陶瓷、粉末冶金和其它工业生产品都是必要的。
  三元电池:

  
  正极材料使用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料的锂电池。据清华大学欧阳明高解释:本次调查中所称的"三元"材料,指的是正极是三元,负极是石墨的通常说法中的"三元动力电池"。
  (钛酸锂的正极也可以是三元,但我们不把其称为三元电池。)
  
  
优点:三元锂电池能量密度高,循环性能好于正常钴酸锂。目前,随着配方的不断改进和结构完善,电池的标称电压已达到3.7V,在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。
缺点:三元材料动力锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等,由于镍钴铝的高温结构不稳定,导致高温安全性差,且pH 值过高易使单体胀气,进而引发危险,目前造价较高。
  特斯拉顶配的Model S使用了接近7000块松下NCR 18650 3100mah电池,对电池两次分组,做串并联。设置传感器,感知每块电池的工作状态和温度情况,由电池控制系统进行控制。防止出现过热短路温度差异等危险情况。
  在日常使用中,保证电池在大电流冲放电下的安全性。其他厂商都采用大电池,最多只有几百块,也没有精确到每块电池的控制系统。
  注:记得早期的Tesla用的是LiCoO2正极材料,后面改为了镍钴铝三元材料。镍钴铝是NCA,没错!NCR不是镍钴锰,镍钴锰是NCM(比如NCM111、NCM523等)。至于NCR是什么,推测又来了,觉得仅仅只是产品的名字而已,应该不代表所采用的正极材料。
  tesla为什么要搞这么复杂的电池控制系统?
  为了能够使用高性能的18650钴锂电池。高性能电池带来高性能车。因为18650钴锂电池的高危性,没有一套靠谱的系统,安全性就不能保证。这也是大多数厂商无论电力车,插电车,混合动力车都不太敢用钴锂电池,特别是大容量钴锂电池的原因。
  松下NCR 18650 3100mah,除了测试一致性最好,充放电次数多,安全性相对较好以外,最重要的是能量大,重量轻,价格也不高。
  由于能量大,重量轻,在轿车2吨以内的车重限制下,可以塞进去更多的电池,从而保证更长的续航里程。因为电池输出电流有限制,电池越多,输出电流越大,功率越大,可以使用的电机功率也就越大。电机功率越大,相当于发动机功率大,车就有更快的加速性能,而且可以保持较长的一段时间。
  钛酸锂电池

  目前,动力锂电池市场,磷酸铁锂电池与三元锂电池称霸,钛酸锂电池不是主流。
  在业界看来,钛酸锂电池有四大突出性能,分别是可实现快充,安全性能好,寿命长以及耐宽温。
  
  ▲ 珠海银隆金湾工厂钢针刺穿钛酸锂电池的安全性检测(Source:格力电器微博)
  不过,钛酸锂电池之所以没能在新能源汽车市场得到大规模应用,是因为其有能量密度不高,存在热膨胀,使用时间长之后漏气等问题。
  比亚迪董事长王传福就曾表示,钛酸锂电池虽然在一些局部地区,特别是极低温度下面存在一定市场,但并不是如某些人所说的那么好,它还需要“苦练内功”。
  目前钛酸锂电池能量密度约为 90 wh/kg,磷酸铁锂为 110 – 120 wh/kg,磷酸铁锂电池能量密度高,但与钛酸锂电池的能量密度差距不大。其他特性都是锦上添花,作为汽车动力电池,最关键的参数“能量密度”。如果钛酸锂电池在这个方面没有突破的话,其他特性未必能够作为卖点,让钛酸锂电池称为主流。
   2012年5月,奥钛纳米科技有限公司在华北投资成立北方奥钛纳米技术有限公司,发明及生产高性能纳米钛酸锂材料;设计、制造并销售全球技术领先的快速反应钛酸锂电池、电池系统及技术。宣称是全世界第一家用专利的纳米结构钛酸锂取代传统负极材料石墨的高科技公司。其合作伙伴包括美国的AES, Proterra,特斯拉,夏威夷能源学院和TSK,英国的庞巴迪,瑞典Hybricon, 芬兰Cargotec, 捷克斯柯达,澳大利亚Isoloader等。北方奥钛称,已于2016年1月推出的第四代钛酸锂材料,电池及模组,进一步在容量,能量密度,循环寿命,内阻及温度范围等性能上有了很大提升。并称其第四代产品已全面国产化,且已量产,出口欧洲、美国及东南亚市场。
  基于钛酸锂的性能优势,银隆新能源斥巨资收购美国奥钛纳米技术有限公司。
  钛酸锂Li4Ti5O12

  
  钛酸锂(LTO)材料在电池中作为负极材料使用,由于其自身特性的原因,材料与电解液之间容易发生相互作用并在充放循环反应过程中产生气体析出,因此普通的钛酸锂电池容易发生胀气,导致电芯鼓包,电性能也会大幅下降,极大地降低了钛酸锂电池的理论循环寿命。
  测试数据表明,普通的钛酸锂电池在经过1500-2 000次左右的循环就会发生胀气的现象,导致无法正常使用,这也是制约钛酸锂电池大规模应用的一个重要原因。钛酸锂(LTO)电池性能改进是单个材料的性能的提升以及各关键材料的有机整合的综合体现。
  针对快速充电与长使用寿命的要求,除负极材料以外,还要针对锂离子电池的其他关键原材料(包括正极材料、隔膜、以及电解液),同时结合特殊的工程化工艺经验,最终形成了“不胀气”的钛酸锂LpTO电池产品,并首先实现了在电动公交客车上的批量应用。
  测试数据表明,在6C充电,6C放电,100%DOD的条件下,钛酸锂LpTO单体电池的循环寿命超过25 000次,剩余容量超过80%,同时电芯产生的胀气现象不明显,不影响其寿命;而重庆快速充电纯电动公交的实际应用情况也表明,在电池成组以后,电性能的表现也相当优异,可以保证纯电动公交客车的日常商业化运营。
  优点:采用电动车辆取代燃油车辆是解决城市环境污染的最佳选择,其中锂离子动力电池引起了研究者的广泛关注。为了满足电动车辆对车载型离子动力电池的要求,研制安全性高、倍率性能好且长寿命的负极材料是其热点和难点。
  商业化的锂离子电池负极主要采用碳材料,但以碳做负极的锂电池在应用上仍存在一些弊端:
  
1、过充电时易析出锂枝晶,造成电池短路,影响锂电池的安全性能;
2、易形成SEI膜而导致首次充放电效率较低,不可逆容量较大;
3、即碳材料的平台电压较低(接近于金属锂),并且容易引起电解液的分解,从而带来安全隐患。
4、在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化较大,循环稳定性差。
  与碳材料相比,尖晶石型的Li4Ti5O12具有明显的优势:
  
1、它为零应变材料,循环性能好;
2、放电电压平稳,而且电解液不致发生分解,提高锂电池安全性能;
3、与炭负极材料相比,钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2 *10-8cm2/s),可高倍率充放电等。
4、钛酸锂的电势比纯金属锂的高,不易产生锂晶枝,为保障锂电池的安全提供了基础。
  缺点:
  
1、相对其他类型的锂离子动力电池能量密度会低一些。
2、胀气问题一直阻碍着钛酸锂电池的应用。
3、相对其他类型的锂离子动力电池价格偏高。
4、电池一致性仍存在差异,随着充放电次数的增加电池一致性差异会逐渐增大。
  
    来源:硬件十万个为什么