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浅析:圆柱型锂离子电池在电动汽车上的应用与发展趋势

2016/10/11 | 供稿:科研处

    近日,江苏天鹏电源有限公司总经理陈璇女士在“2016中国新能源汽车动力电池产业技术发展高峰论坛暨车企与动力电池企业技术交流会”(以下简称“动力电池交流会”)发表了题为“浅析圆柱型锂电子电池在电动汽车上的应用与发展趋势——从18650到20650/21700”的演讲。

  演讲的主要内容如下:

  无论对于小型圆柱电芯用于EV有多少争议,18650由于高能量密度和高性价比,成为越来越多乘用车和物流车的重要选择。18650的优点是成熟度高、一致性高、能量密度、成本、排布柔性高 ;缺点是数量多,pack难度高,质量控制点多。而更大的单体电芯可以通过改变内部设计,大幅度 提升寿命、倍率等,也让Pack看起来更容易,但也同时会大幅降低能量密度(体积和重量),降低了组装时空间利用的灵活性,高能量密度的大尺寸电池,大多自动化程度低,制程等不良带来的成本很高,一致性差,且一旦失效,后果可怕。

  目前,圆柱电芯的优势很大程度上得益于尺寸标准化、产品成熟度与成本竞争力,与标准化一定是强相关;更大的圆柱26/32等一直未能成为主流;呼之欲出的新尺寸20 / 21,是市场自身多种因素的测算平衡和基于18650现有优势的兼顾的选择!

  什么类型的锂电芯更适合?

  单位体积容量与循环寿命、倍率、安全性是强相关因素: 容量每提升10%, 循环寿命大约会降低20%;容量每提升10%,充放电倍率降低30-40%;容量每提升10%,温升大约会提高20%,且呈几何级上升 ;能量密度越高, 安全性风险越大 。

  18650用523+石墨体系,按新国标,1C做到2.4AH已到了设计的极限,更高能量密度的材料(NCA、811等)本身稳定性和制程控制,不是想象的那么容易 。所以,暂时还不太好用,但贵很多……

  圆柱18650锂离子电池发展面临的诸多挑战

  电池能量密度要求不断提高,提高了材料成本:a. 新材料如NCA、硅碳等新材料供应链尚不成熟,成本高,供应难以稳定; b. 新材料制程对环境要求高,固定资产投资高,能耗巨大;单体电池容量低,PACK成组技术要求和成本偏高; 单体电芯最多适应正单、负双极耳结构,而且对能量密度影响较为显著; 高曲率部分比率较大,循环寿命受到较大影响; 高能量密度与高倍率充电同时要求时,设计空间已到极限。

  更大直径圆柱锂离子电池将成为必然趋势 :20/21相对18是更好的选择

  同体积下,能量密度优势 :适当增加直径和高度可以获得更多的有效体积。

浅析:圆柱型锂离子电池在电动汽车上的应用与发展趋势

  带来的好处: a.适当提高能量密度情况下,可以选择常规材料,稳定、性价比高; b.可以适当进行多极耳机构设计降低内阻; c.同样能量密度下,可以选择快充特性石墨,改善快充性能; d.高曲率部分比率降低,延长电芯循环寿命; e.单体电芯容量增大,降低Pack成本。

多极耳结构设计:可以实现低内阻(ACIR或DCIR)。

浅析:圆柱型锂离子电池在电动汽车上的应用与发展趋势

  低曲线率区域比率增加:循环寿命延长 。

浅析:圆柱型锂离子电池在电动汽车上的应用与发展趋势

  1.从上图可以得到,21700在不同的型号中高曲率点所占的比例是最小的,20650适中,而18650最高。

  2.当电池在循环过程中如出现恶化时,在曲率最大点开始,而21700由于其所占的比例最小,故对循环性能的影响也是最小。

  相同容量的PACK包在相同安全距离设计下,20系列体积能量密度比最优, 重量能量密度21最佳。

  新标准来袭,天鹏的选择

  新厂投入巨资,投入日韩最先进生产设备,从投料到挑选完全实现自动化,4条200PPM的自动化产线。 兼容性产线,日产100万只20650/21700,2017年4月实现量产供货,虽然20/21的直径为使用成熟材料体系延长了周期,仍然最为严苛的环境控制,以确保我们储备多年的高容量产品技术,在安全可靠的环境下实现量产,更为供应链的成熟化赋予了一定时间。

  为什么20650/21700,而不是20700?

  18650到新尺寸的过渡,大部分现有电池包可以在直径上轻易切换,成本低速度快,而65-70的高度变化,会带来现有电池包模具弃用的麻烦; 利用自身市场优势,20650中大倍率电池的量产已经超过一年半,培育了20650次级品市场并已经初具规模,可以更快实现垂直产业链层面的成本优势。 给客户提供更大单体(21700)和更少尺寸变化但同时具备高的空间利用率(20650)两种选择。




    (来源:电动汽车资源网,2016-10-11)




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