固态电解质电池的主要优势在于:能量密度高,目前实验室样品可以达到300-400Wh/kg(这可是整包密度);可使用金属锂负极,提供高比容量;安全性能更高,不会刺破隔膜造成短路,不会胀包,不会漏液,不会挥发;碰撞受损后,电池安全性更高;温度适应性好(部分配方),可以在-25℃到60℃之间工作;循环寿命1000次以上,最多有吹45000次的(很可能是PPT概念);自放电率很低,静置亏电速度慢。
主要劣势有:成本过高,技术不成熟,工艺很复杂,产业链上下游不完整,暂时不适合大规模生产;固态电解质的界面接触性差(固体-固体),电导率偏低,高倍率大电流一来就捉襟见肘了,比较难实现快速充电,功率密度有限;运用金属锂负极的同时会产生死锂、锂枝晶生长的问题;氧化物坚硬,制作成电解质片容易脆裂。
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增大单体尺寸
下表我列了很多锂离子二次电池的尺寸,最出名的要数18650,因为当时已有成熟的产业链(就是笔记本电芯同款),所以特斯拉可以用很短时间把高性能电动汽车造出来,但18650的单体尺寸太小了,所以特斯拉现在采用了21700电池来减少电池包内的电芯总数,精简电控。
圆柱电池(锂离子)尺寸列表 | |||||
型号 | 别称 | 外直径(mm) | 长度(mm) | 典型容量(mAh) | 典型用处 |
07540 | 7.5 | 40 | 80-150 | 电子烟 | |
08570 | 8.5 | 70 | 280 | 电子烟 | |
10180 | 1⁄3 AAA | 10 | 18 | 90 | 小型手电筒 |
10280 | 2⁄3 AAA | 10 | 28 | 200 | 手电筒 |
10440 | AAA | 10 | 44 | 250-350 | |
14250 | 1⁄2 AA | 14 | 25 | 300 | 手电筒 |
14430 | 14 | 43 | 400-600 | 剃须刀 | |
14500 | AA | 14 | 50 | 700-1000 | LED手电筒 |
14650 | 14 | 65 | 940-1200 | ||
15270 | RCR2 | 15 | 27 | 450-600 | 替代CR2 |
16340 | RCR123A | 16 | 34 | 550-800 | 替代CR123A |
16650 | 16 | 65 | 1600-2500 | 窄版18650 | |
17500 | A | 17 | 50 | 830-1200 | CR123A的1.5倍长 |
17650 | 17 | 65 | 1200-1600 | ||
17670 | 17 | 67 | 1250-1600 | CR123A的2.0倍长 | |
18350 | 18 | 35 | 700-1200 | ||
18490 | 18 | 49 | 800-1400 | ||
18500 | 18 | 50 | 1100-2040 | AA加长版 | |
18650 | 168A, 1865 | 18 | 65 | 1500-3500 | 万能电池 |
20700 | 20 | 70 | 2800-4100 | 特斯拉 | |
21700 | 21 | 70 | 3000-5000 | 特斯拉 | |
25500 | 25 | 50 | 2500-5500 | ||
26500 | C | 26 | 50 | ||
26650 | 26 | 65 | 2400-5750 | ||
32600 | D | 32 | 60 | 3000-6100 | |
32650 | 32 | 67.7 | 500-6500 | LED灯具 | |
38120 | 38120s | 38 | 120 | 8000-10000 | 电动车/储能 |
38140 | 38140s | 38 | 140 | 12000 | |
40152 | 40152s | 40 | 152 | 15000 | |
46800 | 无极耳电池 | 46 | 80 | ≈20000 | 特斯拉 |
型号 | 别称 | 外直径(mm) | 长度(mm) | 典型容量(mAh) | 用处 |
在上一年底的特斯拉电池日上,马斯克宣布了巨型的46800无极耳电池,预计单体容量能往着20000mAh甚至更高的方向去。
未来,圆柱型锂离子二次电池依然会是动力电池领域的主心骨,单体尺寸会越来越大,这样子单体的典型容量可以大大增加,能量密度也随之增加,皮薄馅厚就是这么个简单的几何学道理。
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改良电池包结构
改良整包结构有很多方法,磷酸铁锂电池当前就用上了CTP(Cell to Pack)技术,直接省去了模组和一大堆控制模块,把长条形的“刀片电池”(单体Cell)直接安装到电池包(整包Pack)当中,电池包体积利用率可以提升20%左右,整包能量密度与整车续航能力也大幅度提升20%-30%。
磷酸铁锂敢用CTP技术的前提是单体电池本身的安全性能远远优于三元锂配方,所以省去了模组级别的结构保护也不会有大问题,不过单体电池本身的框架强度需要加强。
此外,我们也可以通过新型的材料或者新技术进一步集成电池的冷却系统、加热系统、电控系统,把配套系统的重量和体积省下来了,整包能量密度自然上升。
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电池与车体一体化设计
在设计之初就将电池完全融入车体当中,而不是组装完车体之后再把另一个独立零部件“高压电池包”装进去车体下方。
这种一体化设计可以大幅度降低配套系统的重量和体积,提升整包能量密度和整包能量。
基建设施与充电速度
关于充电速度的知识点,我在此前的文章里面详细聊过,在这里点到即止。
简单描述一下关于提升充电速度的几个核心方向:
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电网负载潜力
电动汽车快充的确也当前的城市电网负载提出了极高的要求,笔者就曾经尝试咨询小区物业如何给我自己的停车位加装7kW充电桩,物业给出的结论是“不愿意”。虽然7kW仅仅相当于两台空调,但每个小区的电网容量是很有限的,如果开放给10户电动汽车用户安装还能勉强支撑,但若增加到30户,那小区就会跳闸。
加建配电房与各种配电设备的钱,从谁手里掏?再多思考一步,先安装的用户会事后掏钱给后安装的用户均摊整体成本吗?这都是暂时无解的问题。
可见,增加电网负载潜力不仅是技术问题,还是成本问题,还有一部分是消防安全管理的问题。