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其魯:簡述電動汽車的安全性和行駛里程與鋰離子電池性能的關系

2020-07-13   

中國電源產業網

導語:在第六屆中國國際電動汽車充換電產業大會上,針對影響電動汽車安全性能因素這個問題做了“簡述電動汽車的安全性和行駛里程與鋰離子電池性能的關系”的主題演講。

北京大學教授、電源行業協會理事長、中國機電一體化技術應用協會電能系統分會名譽理事長其魯教授,在第六屆中國國際電動汽車充換電產業大會上,針對影響電動汽車安全性能因素這個問題做了“簡述電動汽車的安全性和行駛里程與鋰離子電池性能的關系”的主題演講。

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其魯教授認為在今天,電動汽車頻繁出現燃燒等事故,與鋰電池本身有重要的關系,但是電動汽車電池控制管理系統,降溫系統,以及汽車本身的技術和材料不完善,也是原因之一。

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三元材料和磷酸亞鐵鋰的材料是如今的主要應用材料,但是更大容量的多元金屬氧化物的正極材料卻無人問津。小編整理了演講中針對材料的以下幾個方面的問題:

1.能量密度

因為穩定性、低溫特性、導電性能等問題,特斯拉公司想要開始使用磷酸亞鐵鋰。鋰電池的技術發展方向不能僅僅是降低體積能量密度、縮小體積,重量能量密度的降低也很重要。

2.無鈷電池

三元材料中沒有鈷是不穩定的,而硫酸亞鐵鋰可以解決這個問題。但是硫酸亞鐵鋰的導電性能差,不僅會造成安全性問題,在冬季電池的電化學性能也會嚴重受影響。

3.電池發熱

在1C、2C、3C時,用一個小時、半個小時充電,磷酸亞鐵鋰電池容易發熱,三元、四元材料的發熱情況則良好。

4.適配性

正極材料不同的電池都有自己的電化學特性,在整個使用過程當中有一個電壓有線性變化的容易控制。在制造充放電樁的時候需要考慮并解決好這個問題,否則會出現安全問題,例如燃燒、燃爆等。

5.電池穩定性

研究鋰電池性能時不能只著眼于實驗室,而是需要分析更多行駛路程后的數據,更貼近現實使用情況。比如不僅僅考慮以電池或者電池模塊出廠的東西來說電動汽車行駛的距離,而是將春夏秋冬四季溫度變化情況也考慮進去。

6.充電功率大小

其魯教授認為,行業不應該將重點放在快充上,而應該現實的讓用戶在空閑時充電,大功率充電的研究仍有大量問題需要解決。

7.電池種類

目前,氫燃料電池是研究方向之一,但是甲醇燃料電池的關注度也應該提高。其魯教授認為甲醇燃料電池和鋰電池的結合是未來小型電動汽車、大型電動汽車發展的一個方向。相對其他電池,甲醇燃料電池有著方便攜帶、使用方便、制造容易的優勢。

新能源汽車的安全問題是可以解決的,但是需要所有行業者的共同努力,隨著數據的積累、技術的創新在不久的未來一定會擁有有效的解決方法,讓更多人使用上廉價、安全的電動汽車。


下面根據其魯教授現場演講資料整理:(未經本人審核)

大家上午好,非常高興有這樣的機會,這么嚴重的疫情,半年了,在北京哪都去不了,沒想到上海吸引力這么強大,全國來了這么多人。

昨天跟很多朋友溝通了一下,晚上把PPT內容做了一些修改,感覺到很多朋友是過去專門搞電子的、控制的,對電池的電化學性能可能有些不熟悉,所以想從影響電動汽車安全性能的鋰電池電化學因素多說兩句。另外,圖中有一些照片是我自己拍照的,覺得挺有意思,整個疫情期間沒什么事干了,多拍了幾張照片和大家分享一下(PPT圖片忽略)。

20年前從國外回到北大之后,一直做鋰電池材料方面的工作,回國之前的10年也做這方面的工作,所以對電池材料、對電動汽車比較熟悉。那時候制造電動汽車只有極其簡單的管理系統,但是公交汽車就在我們電池的制動下行駛起來了,以后我們也做了很多方面的工作,但是感覺到我們還是做集中精力做專業的材料、做專業的電池。在2008年的北京奧運會,2010年上海世博會,以我們自主研發電池驅動的電動公交車讓大家非常放心。

電動汽車上面幾位討論了未來的問題,其他先進技術的問題,我還是想從本質的問題上跟大家溝通一下今天所存在的問題。

電動汽車的燃燒爆炸太可怕了,今天這樣的事情依然還很多多,怎么解決這個問題?電動汽車至今事故率到底是什么狀況?很多人遇到問題的時候,往往把原因歸結到電池上面,我認為電池的原因是主要的,但是我們的汽車包括圍繞著電池一整套的控制管理系統也好,降溫系統也好,其他系統也好,還有汽車本身也好,不能說沒有問題,怎么分析這些問題呢?

看看今天我們的電動汽車,電動汽車搭載的電池從幾個角度分析一下,今天的中國電動汽車市場上,在世界的電動汽車市場上最火熱的就是特斯拉的電動汽車。這個汽車搭載了幾千個三元正極材料的小形電池。我個人認為特斯拉其實是一個突破,在技術上的突破,能把七八千個小電池控制的非常好,說明它在這方面有自己獨特的技術。

最近有刀片電池、顆粒電池等等,各種各樣的電池又是扮演著什么角色呢?數千個圓柱形的小電池依然出現了各種各樣的問題,大家每年可以看到很多企業在全世界各地充電時候的,行駛時候的燃燒或爆炸問題。

所以電動汽車的問題在全世界是一樣的,在中國當然也會的,過去在北京也好,在上海也好,在中國的各地電動汽車的燃燒爆炸問題,冬天時候行駛不了的問題,大家隨便在信息網上都可以看到很多的。

到底應該使用什么樣的鋰電池呢?旁邊的這張照片是2003年的時候使用我們自己制造的電動汽車,自己的控制管理系統開到埃菲爾鐵塔下的照片,在過去20年當中,過去30年當中,我們的電池走過來的這些故事,我們應該反思一些事情。

首先從電池的角度大家看看,綠色的這組線一個是充電線,一個是放電線??v坐標是電壓,橫坐標是容量,僅僅對縱坐標、橫坐標進行比較的時候,它的工作電壓通常是3.0-3.5伏,準確說平均電壓在3.2伏左右的狀況,在大電流的情況下還要下降。

今天的三元材料一個是紫色的線(略微發紫),這是今天三元材料的狀況,電壓要高一些,這個曲線的斜率非常大,還有錳酸鋰的電池,電壓稍微高一些。

昨天晚上跟一些朋友說了,非常希望研究充電裝置的,想安全充電的,想保證電動汽車安全的朋友們一定要關注這些特色,因為這些曲線看著好像差不多的,但是就在這些曲線上有很多問題。

從這里簡單還想說的是電壓最低的是磷酸亞鐵鋰,電壓最高的是尖晶石錳酸鋰正極材料(音)。更大容量的多元金屬氧化物的正極材料大家可以看一下,遠遠超過三元材料,看來今天也沒有多少人在這方面做工作。

過去的20年里,我們基本上沒有走出一個圈子,就是三元材料和磷酸亞鐵鋰的材料,最近公布的數據大家可以看到,我們的能量密度是什么情況?145每公斤瓦時,125公斤瓦時,這是指的三元材料還有磷酸亞鐵鋰材料。并不是像說我們250或者300或者400,實驗室的東西和車上的東西完全是兩個東西。

這里面我把別人的文字直接拿過來了,我想強調的是幾個問題。

1、能量密度的問題。今天實際的能量密度是這樣的狀況,特斯拉想更換磷酸亞鐵鋰,很重要的問題是它的穩定性、低溫特性、導電性能等等。有人說還有另一個辦法,我用一些小一些的電池,用小發電機,用油,其實這樣的概念早就有了并不新鮮,實際上也解決不了問題。

還有一個最近提的比較多的概念是100萬公里、100萬英里,16年200萬公里。這張圖上大家可以看到每公斤250瓦時的能量密度,這應該是指實驗室的小電池,這里面提到了一個20分鐘充電到80%的問題。如果一個汽車上、電動轎車上,比如一個100個千瓦時的電池,要想15分鐘或者20分鐘充電,大家想想它需要的功率多大?幾百個千瓦的功率,對今天的家用電動汽車來說是不會有這樣城市電網供老百姓來普及使用的。

所以更現實一點說,這里我想說的是,我建議考慮的更現實一點,可能一個小時、可能兩個小時,或者當一個晚上在家里充電的時候幾個小時的可能性。

關于100萬公里、100萬英里、200萬公里,我覺得這是一個理想的公里,今天在電動汽車上很難做到,也沒有必要。

2、鋰電池的技術發展方向。僅僅從外觀、體積上做一些變化可能還是遠遠不夠的。最近有人做電池,長度是2.5米,搞成了一個很薄型、很窄的電池。但是,大家注意下面的這句話“兼具了三元鋰電池的高能量密度”。這里提到的能量密度僅僅是體積能量密度,和重量能量密度是沒有關系的,所以采用這樣的方式之后,電動汽車本身重量能量密度并沒有多大變化,僅僅縮小了一些體積而已,電池的其他性能也不會有什么其他大改進的。

3、還有無鈷電池的問題,如何實現“無鈷化”?三元材料中里面沒有鈷是不穩定的,大量的實驗數據從材料的化學物理結構來說已經驗證了這一點。所以至少要摻雜5%或者10%的鈷。如何做到無鈷電池?磷酸亞鐵鋰可以做到。但是磷酸亞鐵鋰現在有一個很頭疼的問題,導電性能差。導電性能差意味著大電流就要出現發熱的問題,就要出現安全性的問題。在冬天的時候導電性能就更差了,能量密度低的問題,這也是現在無法解決的。所以我們應該追求什么樣的電池呢?按照今天新的說法,無鈷電池我想很可能是高電壓的尖晶石錳酸鋰正極材料電池。但是這個電池什么時候能夠出現呢?還需要時間。

4、電池發熱的問題,這里簡單說一下。大家可以看上面,我們是用四元材料做的發熱情況比較,這邊是磷酸亞鐵鋰。大概在1C、2C、3C的時候,用20分鐘、半個小時充電的時候,磷酸亞鐵鋰電池非常容易發熱,三元、四元材料的發熱情況好多了,這是我們用電池早就做過的系列性的實驗。

5、還有一個問題,希望搞充電或者給電動汽車充電,或者給各種各樣儲能電池充電的時候關注一個問題,一開始我講到了,每類電池都有自己的電化學特性,這個是非常重要的。像錳酸鋰橫軸是電壓,縱軸是SOC,大家可以看出來,在整個使用過程當中有一個線性變化,在磷酸亞鐵鋰電池在使用非常頻繁的30%-80%之間,電壓變化非常小。所以在研究充放電裝置的時候,在制造充放電樁的時候,如果不能把這些問題解決好,燃燒了或者爆炸了,或者各種各樣的問題非常容易出現,希望大家注意。

關于電池的穩定性,10年前、20年前、30年前我們就有了數據。比如說充放電1400次之后,容量只損失了10%,充放電2400之后,容量只損失了15%,像這些數據在實驗室沒有問題,但是我們從來沒有想象過可以行駛100萬公里、200萬公里。

不管怎么說,到了今天,從當年我們創造的輝煌,中國第一條鋰電池正極機材料的生產線,鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料,到北京奧運會、上海世博會的電動公交車上的鋰電池都是我們親手打造的。

到了今天中國僅僅充電就有這么多朋友在做,感到非常高興。但是,我們依然有很多很多的問題需要解決,怎么解決?這樣的會議也許是一個方式,因為過去5年大家看到了,今年一年電動汽車的行情大家也看到了,遠遠沒有我們想象的那么樂觀,燃燒爆炸到處都在出現,怎么解決這些問題?需要大家聯合起來。

從最近的一些報道,還有最近一些我個人的一些理解,我想總結一下。對于電動汽車行駛距離的問題,平??梢钥吹接腥藞蟾孢@個車行駛406公里,408公里。我覺得將來應該做一個標準,它不應該是以電池或者電池模塊出廠的東西來說電動汽車行駛的距離,比如至少把春夏秋冬的因素結合起來,把這種電池放電平均電壓的問題考慮起來,把過去的歷史考慮起來,所以給出這樣的電動汽車行駛距離是比較合適的。

充電功率大小的問題,我們需要快速充電嗎?我認為今天電動汽車在我們的社會作為一個代步的工具,并不需要快速充電??焖俪潆姇е潞芏嘟裉旖鉀Q不了的問題,我在家里面一晚上充電,回了家慢慢充電去唄,對電池也沒有損傷,又不會出現危險。所以很多公司把精力花到了大功率充電上去,我認為可以,但是有大量的問題需要解決。今天我們需要解決的是讓更多人使用上廉價、安全的電動汽車。

電池的種類太多了,有一些朋友希望我簡單介紹一下,我也不想多說,大家感興趣可以下去看看PPT。電動汽車基本上用三大類電池(見圖)。今天在日本人基本上看不到多少鋰電池電動汽車,因為日本這個國家是很小心大地力發展著電動汽車。

最后,我想說氫燃料電池是今后的一個方向,但是甲醇燃料電池大家更要關注,我個人認為甲醇燃料電池和鋰電池的結合,可能是未來小型電動汽車、大型電動汽車的一種動力,甲醇作為液體大家都知道,50%的甲醇燒都燒不著,但是濃度高一些的,一升甲醇可以產生2度電,5個瓶子的甲醇就可以讓電動汽車跑100公里。大家想一想,方便攜帶、使用方便、制造容易,希望大家多關注。

   謝謝大家。


編輯:中國電源產業網

來源:協會/聯盟秘書處

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