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2024年12月27日,究竟是什么限制了电池的容量?原创2022-06-10 09:20·电车博士张抗抗1. 可逆如下图[1]概括了各种二次电池(Second Battery)的功率密度/能量密度区间。可以看到,最努力的锂离子电池,能量密度也不过200Wh/kg。当然,这数据老了一点。近日电池龙头CATL表示,它们已经可以做到量产300Wh/kg[2]。图片来源[1]实际上,还有一种不可充电的锂电池,这就是锂原电池或锂一次电池(Primary Battery)。比锂二次电池早十年,锂原电池就发明了,商用化的速度也快很多[1]。图片来源[1]一次电池与二次电池的核心区别,就是充放电过程是否要求「可逆」。如果放弃「可逆」的要求,锂电池的能量密度能上升多少呢?如下图,在考虑了小型化、长储存寿命、低误差率、大范围工作温度的优点下,锂原电池轻松就达到了400-650Wh/kg的高能量密度。另外一种铝空气一次电池,也有类似的高能量密度特征:要知道,铝和锂相比,虽然最外层电子多了2个,但原子量比较大,所以在能量密度指标上对比(如果都用来做二次电池或一次电池),还是比锂弱不少的(如下图的红色柱子[3])。即便如此,铝空气一次电池的能量密度电池还是比锂二次电池高很多,这也说明了二次电池与一次电池的差距。此外,不可忽视的是,目前锂离子二次电池能达到200-300Wh/kg的高能量密度,是抓住了消费电子在1995-2010年的崛起、新能源汽车2010-2020年的崛起两次历史机遇,获得了人类历史上少见的超高强度资本与研发资源投入的前提下被「催熟」的。2017年Model 3的21700电池为300Wh/kg,这是催熟之后的结果[4]。2008年的Roadster电池能量密度55Wh/kg,这才是锂二次电池的「原形」。锂原电池的550Wh/kg VS 锂二次电池的55Wh/kg,「可逆」的要求造成了10倍差距。10倍的差距很大吗? 换个思路,你可能就不会觉得很大了。设想一下,如果给燃油车装一个充电合成汽油的装置,那得多大,折合成系统能量密度会降低多少?这有点异想天开。那么咱们现实一些,给氢燃料电池汽车,装一个电解水制氢装置,那得多大,折合成系统能量密度会降低多少?为了利用人类最便携的能源 —— 电能,就必须要求能量转换系统的「可逆」。从「可逆」这一点来看,锂电池可能还真是不错的选择,至少比汽车、氢能好多了!2. 原子结构众所周知,咱们所在的宇宙共享同一张元素周期表[5]:决定某种元素作为电池能量密度上限的,主要是正负极元素的电动势之差和密度。从下表来看,锂作为正极最好,S、F、Cl作为负极则各有缺点:S需要高温、F与Cl高毒性[1]。所以就需要化学物,这物质效率就下来了。质量损失、反应损失、电压损失结合一下,锂电池的能量密度就跌的没影了。这部分其实正是高赞回答的重点,所以咱们就不展开了。3. 电芯技术与成组技术前面这都是微观层面的事情,到了电芯技术与成组技术,就是咱们商业中实打实的技术了。这里也不展开,只是讲一下大趋势。一方面是电芯技术,找到更好的正负极材料啊、改成固态电解质啊各种方法都上,目标就是提高能量密度。下面是一个总体的目标图:2025年为200-350Wh/kg、2030年为225-400Wh/kg、2035年为250-500Wh/kg。第二就是成组技术,比如说宁德时代的CTP到CTC、比亚迪刀片电池,零跑CTC、特斯拉Structure Battery,都是在追求两个趋势:一是Pack内的成组效率,兼顾安全与效率;二是Pack与车身融为一体。

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发布于:开江县
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