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未來(lái)全固態(tài)電池 真的不需要冷卻嗎?
日期:2019-03-08   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:wangke_jq 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:全固態(tài)電池由于能提供更好的安全、更大的容量、更快的充電,被公認(rèn)是下一代電池技術(shù)路線的發(fā)展方向,也成了各大電池產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)的必爭(zhēng)之地。豐田在各種不同場(chǎng)合,多次闡述其研發(fā)的全固態(tài)電池特點(diǎn),除了重要的高安全特性,還解決和滿足了長(zhǎng)續(xù)駛里程需求,快充電特性,同時(shí),還不需要冷卻,體積可以縮減一半。

鋰離子電池,通過(guò)一定數(shù)量串并組合,裝配在汽車上,成為動(dòng)力電源的那一刻,高成本、大體積、高質(zhì)量、溫度適應(yīng)敏感、熱失控安全等問(wèn)題,就一直困擾著我們。

而全固態(tài)電池由于能提供更好的安全、更大的容量、更快的充電,被公認(rèn)是下一代電池技術(shù)路線的發(fā)展方向,也成了各大電池產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)的必爭(zhēng)之地:

韓國(guó)的三大電池巨頭聯(lián)手;日本23家車企、電池、材料公司、科研院校單位聯(lián)合;歐美國(guó)家相繼發(fā)布研發(fā)規(guī)劃;德國(guó)大眾豪擲1億美元投資電池技術(shù)公司——他們紛紛瞄準(zhǔn)并積極布局固態(tài)電池,并且加速核心技術(shù)攻克走向商業(yè)化,都是想在未來(lái)動(dòng)力電池市場(chǎng)竟?fàn)幹袚尩孟葯C(jī)。

全固態(tài)電池“讓各路英雄竟折腰”,其中作為電池的保鏢,安全保障、功能保障的熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì),又該是什么樣的景象呢?

豐田提出全固態(tài)電池不需要冷卻

前期,豐田在各種不同場(chǎng)合,多次闡述其研發(fā)的全固態(tài)電池特點(diǎn),除了重要的高安全特性,還解決和滿足了長(zhǎng)續(xù)駛里程需求,快充電特性,同時(shí),還不需要冷卻,體積可以縮減一半。(下圖為目前應(yīng)用典型的電池系統(tǒng)冷卻板體積)

在早期,豐田執(zhí)行副總裁勒羅伊(Didier Leroy)這樣描述,豐田在固態(tài)電池技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面處于領(lǐng)先地位,可以讓電池更安全,體積變的更小。

“Executive Vice President Didier Leroy believes Toyota is the leader in solid-state battery technology in terms of intellectual property. He sees them as a "game-changer" with the potential to dramatically improve driving range.

Leroy said:Toyota's solid-state batteries are based on lithium ion technology but can operate at a higher temperature than current lithium ion batteries. They do not require cooling and thus are much smaller.”

讓我們掀開(kāi)全固態(tài)電池關(guān)鍵指標(biāo)一角,探究一下這些特點(diǎn)的生成原因。

全固態(tài)電池耐熱特性、低溫特性、倍率特性突出

來(lái)自Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA“All-Solid-State Lithium Batteries with Wide Operating Temperature RangeMitsuyasu”對(duì)基于硫化物全固態(tài)電池做的幾項(xiàng)測(cè)試(主要針對(duì)小容量電池的測(cè)試):

高溫耐受性測(cè)試:從下圖示,電池在高溫170℃規(guī)定的充放電(The test conditions were a constant current of 0.3 mA ge/disge, ged to 0.3 mAh, and disged to 3.0 V)、循環(huán)條件下,可以觀察到,容量在高溫下,非常穩(wěn)定,變化很小,也就是說(shuō),副反應(yīng)并沒(méi)有顯著的增加。


低溫耐受性測(cè)試:從下圖示,電池在低溫-40℃規(guī)定的充放電(The test conditions were a constant current of 0.02 mA, ged to 0.02 mAh, and disged to 3.0 V)、循環(huán)(試驗(yàn)條件為恒流0.02 mA,充至0.02 mAh,放電至3.0 V)條件下,可以觀察到,容量因低溫影響,也是非常小的,仍然有很穩(wěn)定的放出和充入。


放電倍率特性:如下圖示,常溫下,在24C高倍率下放電,容量為低速率0.5C下的89%,說(shuō)明該電池具有優(yōu)良的功率特性。


上述測(cè)試條件,相比現(xiàn)在的商業(yè)化動(dòng)力電池確實(shí)還有很大的局限性和差距,但是固態(tài)電池從娘胎里帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)還是非常明顯的,在如此高的溫度條件,表現(xiàn)如此穩(wěn)定,安全性可見(jiàn)一斑。

對(duì)于一般液態(tài)電解質(zhì)電池,其策略保護(hù),高溫>50℃進(jìn)入報(bào)警狀態(tài);70℃進(jìn)入熱失控風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。低溫環(huán)境, <0℃限制充電電流。電池在很窄的15~45℃范圍內(nèi)才能穩(wěn)定的工作。同時(shí),為了保證電池系統(tǒng)的壽命,溫差范圍要求控制在 <5℃。

其實(shí),熱管理的作用,首先是保障電池安全,其次才是保障特性功能的最好發(fā)揮。如果電池本身在高低溫下就很安全。那么,對(duì)熱管理的需求會(huì)相應(yīng)降低。

全固態(tài)電池大大降低了對(duì)冷卻系統(tǒng)的依賴

有資料顯示,全固態(tài)電池耐熱性在(80~120℃)、阻燃性(200℃),均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有應(yīng)用的液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。這主要與電解質(zhì)形態(tài)和結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。

全固態(tài)電池使用的固體電解質(zhì),是區(qū)別于液態(tài)有機(jī)電機(jī)解質(zhì)的主要特征材料,現(xiàn)在主要研究的有兩種類型,氧化物和硫化物。目前包括豐田的全固態(tài)電池,主要是基于硫化物類型全固態(tài)電池研究。

現(xiàn)在應(yīng)用的液態(tài)電解質(zhì)電池,也并非都是裝備有水冷板的熱管理系統(tǒng)。早在日本Nissan leaf EV車上,一直延續(xù)著沒(méi)有冷卻板,依靠電池殼體自然冷卻的產(chǎn)品設(shè)計(jì)(如下圖)。

對(duì)于EV電池系統(tǒng),主要滿足較低倍率的充放電功率需求,在冷卻方面對(duì)熱管理表現(xiàn)的沒(méi)有功率型的HEV明顯。但是在低溫環(huán)境,環(huán)境適應(yīng)性是得不到滿足的。所以說(shuō),對(duì)于全溫度的工況需求,更多的增加了水冷板式的熱管理系統(tǒng)。

這本身也是矛盾的?,F(xiàn)有龐大的水冷系統(tǒng),從成本角度,體積方面,都是不利的。

全固態(tài)電池耐熱性溫度范圍放大,安全性得到了保障。削弱了對(duì)水冷系統(tǒng)的依賴性。契合了解決成本和體積矛盾的想法。

盡管全固態(tài)電池如此誘人,但是,還不能停止現(xiàn)有熱管理技術(shù)的發(fā)展的腳步。

豐田表示,其全固態(tài)電池仍需10年的發(fā)展才能成熟

全固態(tài)電池要想全面大批量投入生產(chǎn)和應(yīng)用,還需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間。

豐田表示:“我們確實(shí)說(shuō)過(guò),希望在本世紀(jì)20年代初提供固態(tài)電池。但事實(shí)上,這不會(huì)是大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)上。我們將小批量的試產(chǎn)開(kāi)始,用于試點(diǎn)項(xiàng)目,我們永遠(yuǎn)不會(huì)在客戶身上做實(shí)驗(yàn)。2030年,可能是更現(xiàn)實(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)”。下圖是豐田技術(shù)路線規(guī)劃表。


熱管理高效和節(jié)能,需要繼續(xù)探索和研究

從Tesla車型演變案例觀察分析:

Tesla 產(chǎn)品,一直以來(lái)引起地球人足夠的好奇。其設(shè)計(jì)的精妙也確實(shí)堪稱典范。正如Elon Musk對(duì)團(tuán)隊(duì)的管理和要求一樣,在他們眼里“沒(méi)有做不到的事情”。

在熱管理功能單元組合中,透過(guò)產(chǎn)品的演變狀態(tài),可以看出一些端倪。


來(lái)自Tesla 官方論壇中,也對(duì)model 3 熱管理的演變做了闡述:

“What you may have heard is there is no resistive heater, like the S/X. Instead, Tesla uses the motor as the heater - a very clever design. I wouldn't be surprised if they move the M3 system to the S/X in the future. While it does saves a little amount of money, it also should increase the range a little, and improves the overall system reliability slightly as well.”


“There are at least two types of battery management; temperature and cell balancing. The Model 3 employs both of these. The temperature management is a little different than that in the S and X. The 3 doesn’t have a dedicated battery heater. Instead it generates heat by sending power to the motor (even when not moving) this heat is channeled to the battery using a fluid. All three models use a heat pump for battery cooling. All three models use a cell balancing algorithm as well”

關(guān)于電池加熱形式的變化,由PTC加熱改變?yōu)槔秒姍C(jī)接通電流零扭矩加熱,其技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)有待于后期進(jìn)一步研究分析,現(xiàn)在還不能量化和說(shuō)清楚。

其中一點(diǎn)是肯定的,提高熱系統(tǒng)效能的同時(shí),一定是做到了降本。是雙贏的結(jié)果。這種“沒(méi)有做不到”的創(chuàng)新精神,值得學(xué)習(xí)。

結(jié)束語(yǔ)

全固態(tài)電池通過(guò)不斷的研究,商業(yè)思路已非常清晰。其中,配套的熱管理系統(tǒng),也需要同步的跟進(jìn)和發(fā)展。“不需要冷卻”的說(shuō)法,難免有斷章取義之嫌,我想豐田應(yīng)該也不是這個(gè)意思,一定是有所限,有所指,留得后期認(rèn)真思考和啟發(fā)。

同時(shí),在目前的熱管理應(yīng)用方面,做到高效、節(jié)能,仍然有很多工作需要做:從終端的冷卻板結(jié)構(gòu),到管理的控制技術(shù),電池溫度精準(zhǔn)采集傳感技術(shù)、溫度異常熱失控主動(dòng)防御技術(shù),管理策略等等,都在等著我們研究和分析。


原標(biāo)題:未來(lái)全固態(tài)電池 真的不需要冷卻嗎?
 
 
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