動(dòng)力電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)綜述

動(dòng)力電池系統(tǒng)輕■化技術(shù)綜述程萍;程鳳【摘要】電動(dòng)汽車的續(xù)航里程一直是關(guān)注的重點(diǎn)之一,而電動(dòng)汽車用電池主要是鋰離子電池，鋰離子電池系統(tǒng)輕量化對(duì)提高續(xù)航里程很重要.實(shí)現(xiàn)鋰離子電池系統(tǒng)輕量化一般有三種途徑，提高單體電芯能量密度，減輕電池系統(tǒng)配件質(zhì)量，優(yōu)化電池系統(tǒng)設(shè)計(jì).【期刊名稱】《電源技術(shù)》【年(卷)，期】2019(043)001【總頁數(shù)】3頁(P171-173)【關(guān)鍵詞】電池系統(tǒng);鋰離子電池;電池箱體;輕量化【作者】程萍;程鳳【作者單位】上海立達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)院上海立達(dá)-臺(tái)北城市機(jī)電與信息學(xué)院，上海201609;南京理工大學(xué)，江蘇南京210094【正文語種】中文【中圖分類】TM912節(jié)約能源和減排廢氣是汽車行業(yè)熱門話題，汽車輕量化為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略提供可行性。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車特別是電動(dòng)汽車的應(yīng)用目前被大力推廣。電動(dòng)汽車用的動(dòng)力電池質(zhì)量能量密度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)汽車用的液體燃料［1］。電池系統(tǒng)的質(zhì)量在電動(dòng)汽車總質(zhì)量中占有相當(dāng)大的比重，而電池系統(tǒng)的質(zhì)量和能量都對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程有一定的影響。在不改變電池系統(tǒng)總能量的情況下，電池系統(tǒng)質(zhì)量降低能夠有效提高其續(xù)航里程。有數(shù)據(jù)表明，電動(dòng)汽車質(zhì)量減10%能提高續(xù)駛里程5.5%[2]。因此，電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)輕量化至關(guān)重要，是新能源汽車輕量化的主要研究?jī)?nèi)容之一。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)輕量化的三種途徑分別是提高單體電芯能量密度、減輕電池系統(tǒng)配件質(zhì)量和優(yōu)化電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)輕量化實(shí)現(xiàn)途徑目前，電動(dòng)汽車使用的電池大多數(shù)是鋰離子電池。鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜等組成。單體電芯通過串、并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高電壓和高能量的電池系統(tǒng)。過重的電池系統(tǒng)使電動(dòng)汽車的續(xù)航能力與傳統(tǒng)燃油汽車相比明顯不足。因此，尋找高比能量電池系統(tǒng)是目前研究的主要方向，也是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車輕量化的主要途徑。實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)輕量化可從三種途徑展開：(1)提高單體電芯的能量密度;(2)減輕電池系統(tǒng)配件質(zhì)量；(3)優(yōu)化電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.1提高單體電芯的能量密度目前，國(guó)內(nèi)用在電動(dòng)汽車上的電池主要是以磷酸鐵鋰和三元材料作為正極材料。磷酸鐵鋰電池因安全性能和循環(huán)壽命最好，已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)很多電池廠選擇生產(chǎn)該類型的電池，如深圳比亞迪，合肥國(guó)軒等。但是磷酸鐵鋰電池單體的比能量較低(120~170Wh/kg),而三元電池比能量較高(180~220Wh/kg),更能迎合市場(chǎng)上對(duì)續(xù)航里程的要求，使三元鋰電量產(chǎn)有所上升。目前主要的廠商有寧德時(shí)代新能源，上?？偷取ｋm然三元電池能量密度較磷酸鐵鋰電池高，但是距離工信部提出到2020年新型鋰離子動(dòng)力電池單體比能量超過300Wh/kg，到2025年動(dòng)力電池單體比能量達(dá)500Wh/kg的目標(biāo)還有較大距離，因此，新的材料體系或電池體系要進(jìn)一步研究以滿足上述目標(biāo)。1.1.1采用高容量正極材料正極材料的容量和電壓是限制電池能量密度最主要的因素，正極材料的質(zhì)量占到單體電池的40%~45%，因此采用高工作電壓和高容量的正極材料能夠顯著提升電池的能量密度。三元鎳鉆錳酸鋰(NCM)材料可通過調(diào)配鎳(Ni)、鉆(Co)、錳(Mn)三者比例，從而獲得不同材料特性，目前三元鋰電池主要應(yīng)用是NCM111和NCM523。而三元材料鎳鉆錳比例從1:1:1、5:2:3到6:2:2、8:1:1，能夠?qū)㈦姌O材料的克容量提高，使得高鎳三元材料高容量備受關(guān)注。一般來說三元材料中含鎳比例越高，材料單位質(zhì)量所貢獻(xiàn)的能量越多，其制備的電池能量密度越高，但是電池的循環(huán)性能和穩(wěn)定性有所下降。北京當(dāng)升材料科技股份有限公司早在2014年就率先開發(fā)動(dòng)力鋰電池高鎳NCM622多元正極材料，單體電池比能量達(dá)230Wh/kg。寧波金和鋰電材料有限公司高鎳三元NCM811也投入量產(chǎn)，預(yù)期單體電池的比能量達(dá)到250Wh/kg。鎳鉆鋁酸鋰(NCA)［3-4］是高鎳三元材料的另一種，高含量的鎳元素使得NCA比容量較高，達(dá)到190Ah/kg，是最具發(fā)展前景的高能量密度鋰離子電池正極材料之一。鎳鉆鋁酸鋰的結(jié)構(gòu)類似于三元NCM811體系，但摻鋁后材料的穩(wěn)定性和循環(huán)性能更好，目前已經(jīng)成功應(yīng)用在電動(dòng)汽車上。特斯拉頂配的ModelS使用的電池為松下電池，其正極材料即為NCA，其單體電池容量達(dá)3100mAh，其比能量達(dá)250Wh/kg，使得ModelS續(xù)航里程達(dá)到480吊。雖然NCA鋰電池有優(yōu)越的電池性能，但是生產(chǎn)技術(shù)門檻高［5］。NCA材料在制備技術(shù)上難度較大、材料生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)設(shè)備要求特殊及電池設(shè)計(jì)和制造難度較高，國(guó)內(nèi)目前只有少數(shù)廠家進(jìn)行小批量生產(chǎn)。另外，高壓鉆酸鋰通過電壓的提升來增加能量密度，但鉆的價(jià)格較高，不適合用于對(duì)電池成本比較敏感的汽車電池中；富鋰三元具有較高的比容量，磷酸錳鐵鋰提高了電壓平臺(tái)，均有望應(yīng)用于動(dòng)力電池中，但此類正極材料的技術(shù)成熟度上仍然不夠，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和產(chǎn)業(yè)化驗(yàn)證。1.1.2采用高容量負(fù)極材料在工業(yè)化的鋰離子電池中，負(fù)極質(zhì)量約占到電芯質(zhì)量的15%~20%。石墨的理論比容量為372mAh/g，是常用負(fù)極材料，但是對(duì)電池能量密度的提高有限。硅負(fù)極的理論比容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨容量的10倍多，成為高容量負(fù)極材料開發(fā)的熱點(diǎn)［6］。為解決純硅負(fù)極材料的體積膨脹和循環(huán)性差問題，一種方式是制備納米硅材料［7］，另一種是制備硅的復(fù)合材料，硅/碳或者硅氧復(fù)合材料［8］。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)在于各組分間發(fā)揮各自的優(yōu)良性能以實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，降低其體積效應(yīng)。另外硅基負(fù)極材料在使用中與石墨負(fù)極進(jìn)行混合使用，其添加量在5%-10%左右，在一定程度下又降低了體積效應(yīng)，提高了循環(huán)壽命。特斯拉的電池中已經(jīng)部分采用了硅碳負(fù)極，打開了硅碳負(fù)極在動(dòng)力電池中應(yīng)用的序幕，在應(yīng)用過程中硅碳負(fù)極的工藝控制、使用比例、電解液成分的優(yōu)化、電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以滿足動(dòng)力電池的需求。1.1.3提高極片中活性物質(zhì)占比—般電芯正負(fù)極極片的組分包括活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑比例降低，從而提到了活性物質(zhì)的占比，提高了單體電池的能量。目前碳納米管、碳纖維、石墨烯等導(dǎo)電劑的應(yīng)用能夠有效降低導(dǎo)電劑的比例，從傳統(tǒng)的3%~4%的比例降低至0.5%~1%；而蘇威、阿珂瑪?shù)日辰Y(jié)劑廠家都在開發(fā)粘結(jié)性能更好的新產(chǎn)品，將活性物質(zhì)占比提高至97%-98%，從而有效提高電池的能量密度。在電池設(shè)計(jì)中，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的優(yōu)化至關(guān)重要，既要提高活性物質(zhì)占比，又不能影響電池的功率密度、極片的吸液能力、極片的柔韌性等。1.1.4減輕電芯輔材質(zhì)量電芯輔材包括正負(fù)極集流體、隔膜材料和電芯包裝材料等。在確保單體電芯安全性能的前提下，通過減薄電池集流體的厚度，減薄隔膜的厚度或減輕電芯包裝材料的質(zhì)量等來提高電池的能量密度。一般說來，電芯輔材的質(zhì)量能占到電池質(zhì)量的10%左右，這部分質(zhì)量的降低能夠在一定程度上提升能量密度，但并不明顯。1.2減輕電池系統(tǒng)配件質(zhì)量減輕電池系統(tǒng)配件質(zhì)量也能提升電池系統(tǒng)能量密度。電池系統(tǒng)主要配件是電池箱體，它是電動(dòng)汽車的“心臟”，是電池的載體，并對(duì)保護(hù)電池的安全起關(guān)鍵作用［9］，于是電池箱體需要滿足密封性能、防腐性能、抗振性能、耐沖擊和碰撞等功能［10］。在減輕電池箱體質(zhì)量的過程中，可選取高強(qiáng)度、低密度性能的材料，保證其基本的物化性能，同時(shí)也降低了其質(zhì)量，這樣才能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。1.2.1高強(qiáng)度鋼高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度介于210~550MPa的鋼材，而屈服強(qiáng)度超過550MPa的鋼材稱為超高強(qiáng)度鋼。在相同強(qiáng)度情況下，使用高強(qiáng)度鋼可有效減薄零件厚度來實(shí)現(xiàn)輕量化［11-12］。目前，電動(dòng)汽車電池箱體主要采用鋼板Q235材料。特斯拉Model3車身底部的電池包基本被超高強(qiáng)度鋼包圍，一方面保證車身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一方面保護(hù)電池組的安全，同時(shí)取消了專程用來保護(hù)電池包的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)減重的目的。1.2.2鋁合金鋁合金密度低，強(qiáng)度較高，沖擊性好，塑型性好，耐腐蝕性好，易回收，可加工成各種型材，工業(yè)上廣泛使用，使用量?jī)H次于鋼。但是鋁合金的焊接工藝較差，材料價(jià)格較高，是鋼材價(jià)格的三倍左右。因此，改善鋁合金成型工藝和降低材料成本可促進(jìn)電池箱體輕量化的發(fā)展。1.2.3復(fù)合材料復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料組合成新材料，融合每種材料的優(yōu)勢(shì)，其具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度和彈性模量大，耐腐蝕和耐磨等優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域逐漸取代金屬合金［13］。復(fù)合材料按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為夾層復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中應(yīng)用最廣的為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，復(fù)合材料和一般鋼件相比，減重超過50%以上，和鋁合金相比，減重也要達(dá)到30%以上，這對(duì)于電池箱體質(zhì)量的減輕有較為明顯的效果。汪佳農(nóng)等［14］通過使用有限元軟件分析對(duì)比Q235鋼和碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料兩種材料的電池箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了合理的碳纖維/環(huán)氧電池箱。結(jié)果表明，電池箱體承載性能沒有降低，質(zhì)量減輕64%。然而碳纖維的使用需要克服價(jià)格昂貴的問題，同時(shí)復(fù)合材料在電池箱體的應(yīng)用是一個(gè)漸進(jìn)的過程，全部取代金屬材料目前尚不成熟。1.3優(yōu)化電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.3.1采用輕量化結(jié)構(gòu)通過對(duì)電池系統(tǒng)配件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少材料的使用，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)仿真分析，在配件安全性能不變的情況下達(dá)到輕量化目的［15］，如配件中空化，復(fù)合化，薄壁化等，還可通過電芯尺寸設(shè)計(jì)和電池的重新排布使電池箱體體積不變放置更多數(shù)量電芯，以提高電池系統(tǒng)能量密度。例如，大部分特斯拉ModelS車型的電池包分為16個(gè)小模組，而Model3長(zhǎng)續(xù)航版的電池包則只有4個(gè)模組。更少的模組意味著更少的電池包內(nèi)部隔斷、電池組BMS、線束和散熱管路接口，可以從電氣部分和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面減重。1.3.2采用輕量化制造工藝制造工藝與材料、結(jié)構(gòu)是相輔相成的，需要找到相適應(yīng)的先進(jìn)工藝來共同實(shí)現(xiàn)輕量化［16-19］。鋼材件可采用熱成型技術(shù)，該技術(shù)主要是通過對(duì)鋼材加熱，使其變成奧氏體狀態(tài)再進(jìn)行加工。該技術(shù)在高溫下有良好的沖壓性能，成型精確，沒有回彈，并且質(zhì)量較輕。激光拼焊技術(shù)是將不同材質(zhì)、不同涂層、不同厚度的鋼材或鋁合金等進(jìn)行焊接組成一個(gè)完整的零件，減少零件數(shù)量和材料消耗，實(shí)現(xiàn)裝配工藝輕量化。因此，該技術(shù)在制造工藝中得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如，在特斯拉Model3電池包中，正負(fù)極連接片從一整片變成布局在電池組兩側(cè)，而未采用傳統(tǒng)模式的正反面的樹枝狀連接片。即將原先是兩面的鋁片變成了一面，同時(shí)所用鋁片還可以更細(xì)更輕，在整個(gè)電池組層面可以減重幾千克。3D打印技術(shù)是以可粘合材料如粉末狀金屬或塑料等為原料，采用逐層打印的方法來構(gòu)造零件的技術(shù)，可以靈活地運(yùn)用不同材質(zhì)進(jìn)行電池箱體的設(shè)計(jì)，提高電池箱體整體的功能性，降低電池箱體的整體質(zhì)量，其主要優(yōu)點(diǎn)是縮短零件制造周期，降低生產(chǎn)成本，減少材料浪費(fèi)，減輕零件質(zhì)量，但目前金屬3D打印機(jī)技術(shù)還不夠成熟，3D打印仍以塑料材質(zhì)為主。2總結(jié)電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)輕量化勢(shì)在必行，可通過提高單體電芯的能量密度和降低電池系統(tǒng)的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。采用高容量正極材料、高容量負(fù)極材料制備電芯以及使用先進(jìn)復(fù)合材料制備電池系統(tǒng)配件等是研發(fā)高能量密度電池的主導(dǎo)方向。但是，面對(duì)材料成本高，工藝不成熟等問題，需要加強(qiáng)技術(shù)改性來降低材料成本，提高材料利用率，研發(fā)更優(yōu)良的新型材料，引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)設(shè)備，掌握先進(jìn)制造工藝等。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】史踐.電動(dòng)汽車與輕量化技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2011，1:24-29.周路菌.汽車輕量化：助新能源汽車極致表現(xiàn)[J].新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016，4:55-59.李軍，劉建軍，李少芳，等.鋰離子電池三元正極材料鎳鉆鋁酸鋰的研究進(jìn)展[J].化工新型材料,2016,44(6):49-51.李想，謝正偉，吳銳，等.鎳鉆鋁酸鋰高鎳系正極材料的研究進(jìn)展[J].電池，2015,45(1):5457.馮海蘭，陳彥彬，劉亞飛，等.高能量密度鋰離子電池正極材料鎳鉆鋁酸鋰(NCA)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015,9:23-27.沈龍，董愛想，喬永民，等.鋰離子電池用高容量合金類硅基負(fù)極材料研究進(jìn)展[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(3):191-197.KOVALENKOI,ZDYRKOB,MAGASINSKIA,etal.Amajorconstituentofbrownalgaeforuseinhigh-capacityLi-ionbatteries[J].Science,2011,334:75-79.熊偉.硅碳負(fù)極材料研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2016，6:61-65.張曉紅，周峰，馮奇，等.車用動(dòng)力電池碳纖維箱體的設(shè)計(jì)研究[J].上海汽車，2014，9:60-62.李仲奎.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱體的設(shè)計(jì)研究[J].上海汽車，2016，3：3-6,10.陳辛波，杭鵬，王葉楓.電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車工程師，2015，11:23-28，57.張鈞.高強(qiáng)度鋼板在松花江賽馬車上的應(yīng)用[C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)2003學(xué)術(shù)年會(huì).北京：中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2003:463-466.毛占穩(wěn)，李煒，劉玉強(qiáng).復(fù)合材料在電動(dòng)車輛電池包中的應(yīng)用及分析[J].電源技術(shù)，2016，40(5):977-978.汪佳農(nóng)，趙曉昱