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    哪一年有1000公里續航里程的電動汽車?我必須從這個網民的信息開始:網友們的挖坑能力真是太強了,隨手一揮,就是一個宏大課題。。鑒于準確描述清楚也不現實,電哥姑且就以時間軸為順序,簡要梳理一下主流動力電池發展的脈絡;雖不能一瞥其全貌,但是能管中窺一下豹也是極好的~1980年以前的啟蒙時代,電動車誕生竟比燃油車還早為了簡化內容突出重點,電哥姑且將1980年以前稱之為啟蒙時代。有個著名的冷知識就是電動車誕生時間要遠遠早于燃油車,并且在誕生初期,純電動車才是絕對的主流。畢竟電動車最早的概念要追溯到1828年耶德力克搞出的電機“玩具”了,不過這個發明并沒有明確的“動力電池”這個概念,因此還算不得真正的純電動車。后續若干年,還誕生了諸如第一臺直流電機驅動的電動車、第一臺電驅馬車等等試水型產品,但是這些產品普遍的問題在于不能給電池充電,基本上只能算作一次性玩具。講個笑話,那個時代發明純電動車的目的是因為馬車成本太高,一般人根本用不起。轉機發生在1859年,加斯東發明了鉛酸電池,這可以視作正兒八經的動力電池了。

就在這個發明的基礎上,第一輛鉛酸電池電動車于1881年順利誕生(就算以這個作為參考,還是要比1886年的第一臺燃油車更早)。接著卡米爾又緊鑼密鼓的改進了設計,造出了這輛鉛酸電池三輪車,車重僅160kg,最高時速為12km/h。或許還沒體力旺盛的你跑得快,遠遠慢于馬車。在那個能源形式大發展的時代,電動車、內燃機、蒸汽機呈三足鼎立之勢。就像今天,19世紀后期的電動車同樣要比燃油車安靜,并且當時的電動車就連可靠性也要遠遠高于燃油車,只是受制于當時電動車所承載的鉛酸電池容量限制,這些大家伙的續航普遍被限制在70公里以內,最高時速也不過30km/h。不妨總結一下特點,此時的動力電池體積大、質量大,能量密度極低,如此夸張的懸殊以至于當時想要通過堆電池來提升續航都是不可能的,因為電池堆個七八百公斤以后,當時的電機甚至無法驅動這樣龐大的身軀。就算是同期鎳鎘電池等新技術陸續登場,也難以改善本質上的窘境。

進入20世紀之后就是內燃機井噴的時代了,電動車的發展陷入階段性停滯。1913年福特T型車生產線,這段時間就沒電車什么事了在1976年-1985年,隨著第一次石油危機以及愈演愈烈的環境保護問題,如何給汽車進行節能減排這件事重新回歸到了人們的視野當中,順理成章的我們再次記起了電動車。這其中就有斯坦利、約翰、吉野彰三人陸續奠定的鋰離子電池框架,鋰電池的誕生,使得高電壓的可充放電電池逐漸進入人們的生活,從此人類的動力電池科技樹就基本是圍繞鋰電池在做文章了。為了紀念他們三人對這個世界的貢獻,2019年諾貝爾化學獎得主就是這三位哥們。1980-2000年進入鋰時代:鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等電池登場進入鋰電池時代后,運用何種形式作為車載動力電池并非是一蹴而就的,而是歷經一段艱辛的摸索,因此在初期我們所見到的第一批真正意義上的純電動車,卻還在使用一些更為老舊的電池技術。你比如說使用了鎳鉻電池的油改電標志106,最高時速為90km/h,續航也僅為100km。1995年的標志106電動版,看著和我們的老頭樂差不多另外還有大名鼎鼎的通用EV1,與標志106不同,通用EV1是絕對的純電動原生設計,2座雙門轎跑一推出就受到了廣泛的歡迎,早期的鉛酸電池版本電池容量為16.5kWh~18.7kWh,EPA續航126km,后期的鎳氫電池版本電池容量上升到了26.4kWh,EPA續航達到228km。

關于通用EV1的大起大落就是另一個故事了,感興趣的話可以看看2006年的紀錄片《誰殺死了電動車》。末代通用EV1
至此,純電動車歷經了淘汰鉛酸電池,嘗試了更安全鎳氫電池之路,但是鎳氫電池又面臨著能量密度極低的窘境,重量能量密度基本停滯在80Wh/kg以下,想要推出長續航純電動車,鎳氫電池也并不理想。直到吉野彰提出LCO鈷酸鋰電池,鋰離子電池才算是進入了蓬勃發展的時期。這個時期以LCO鈷酸鋰、LCO錳酸鋰為代表的鋰電池獲得了積極發展,但是想搞出一套成熟的車載動力電池似乎總是困難重重。

前者鈷酸鋰電池能量密度很高,但從名字來看就知道成本高的可怕,拿來造體積巨大的車規級電池不那么現實;后者錳酸鋰成本是降下去了,但是壽命低,能量密度又降下去了。

這一輪嘗試結果都總是不理想,好在是確認了容量大、循環性能更好的鋰離子電池作為車載動力電池發展方向。

鈷酸鋰LiCoO2部分晶體模型
這次的轉機發生在1997年,經過不懈的努力約翰又開發出了LFP磷酸鐵鋰電池,這下總算是找到了集安全性、低成本、循環壽命高等多種優勢于一身的鋰電池技術,使得動力鋰電池的商業化成為了可能。2000-2020能量密度大躍進:磷酸鐵鋰/三元鋰之爭進入新世紀之后的故事大家比較熟悉,基本上就是磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池兩強相爭的局面了。磷酸鐵鋰電池(LFP)是用磷酸鐵鋰作正極材料的鋰離子電池,三元鋰電池則是一種以鎳鈷元素作為正極材料,以錳鹽或鋁鹽來穩定化學架構的鋰電池,主要有NCM(鎳鈷錳)和NCA(鎳鈷鋁)。受制于化學特性,磷酸鐵鋰電池的電壓平臺較低,磷酸鐵鋰電池的能量密度大概在140Wh/kg左右。而三元鋰電池電壓高,能量密度基本為240Wh/kg。也就是說,在相同電池重量下,三元鋰的能量密度相比磷酸鐵鋰材料更容成都創新風險投資公司_58投融資|www.58trz.com易做的更高。不管是NCM(鎳鈷錳)電池還是NCA(鎳鈷鋁)電池,兩種三元鋰電池,在能量密度上相比磷酸鐵鋰電池都更具優勢,并且隨著“三元”不同的配比,能量密度還在持續發生著微妙的變化。具體來看,就是根據鎳、鈷、錳亦或者是鎳、鈷、鋁間不同的配比,求得更高的的能量密度。其中的原理也不復雜,那就是盡可能提高鎳的比例就完事兒了。

以NCM(鎳鈷錳)電池為例,根據三者含量的不同,常見的就有NCM523、NCM622、NCM811(數字代表鎳鈷錳的比例),目前已經有諸如廣汽新能源Aion S、蔚來ES6等車型使用上了NCM811電池,在保持體積不變的前提下,電池能量密度也能獲得顯著的提升。廣汽新能源Aion S蔚來ES6由此可見,高鎳三元鋰電池已經成為了短期內提升能力密度逃不開的發展方向,通過鎳元素含量的提升,三元正極材料的比容量逐漸升高,電芯的能量密度也會隨之提高。例如特斯拉大量使用的21700 NCA三元鋰電池電芯的能量密度高達260Wh/kg,它的鎳鈷鋁比例為8:1.5:0.5,毫無疑問,它屬于“高鎳電池。綜合來說,磷酸鐵鋰電池成本低、循環性能強、安全性強,就是重量能量密度相對較低;而鎳鈷鋁/鎳鈷錳三元鋰電池成本更高、循環性能較強、系統能量密度更容易提高,就是穩定性不太確定(尤其是高鎳電池)。因此在傳統認知上,三元鋰電池是在小型乘用車上應用更為廣泛,磷酸鐵鋰電池在大型商用車上應用更為普遍。值得注意的,伴隨著高鎳三元鋰電池的高歌猛進,其安全性隱患也在2019年的眾多安全性事件當中爆發了出來,使得人們重新審視到在追求高能量密度、長續航的同時,安全性也不應該被忽視。2020-2025:三元鋰電池持續精進,磷酸鐵鋰或煥發第二春根據現有技術水平來判斷,三元鋰電池將保持、乃至于長期保持市場主導地位,動力電池領域能量密度有望從目前的255Wh/kg向300Wh/kg突進,續航將從目前最高600km左右進一步提升。怎么提升呢?有這么幾個辦法,我們習慣上按照封裝工藝以及形態的不同來進行劃分,目前主流可分為三種,那就是圓柱形鋰離子電池、軟包鋰離子電池、方形鋰離子電池。自鋰離子電池商業化以來,最先廣泛應用于3C、消費電子的就是圓柱鋰離子電池了,特斯拉就是采用了松下的18650及21700 NCA圓柱鋰離子電池,其特點便是卷繞工藝成熟、能量密度較高,但是電控難度相應水漲船高。

軟包鋰離子電池業發展了也有20余個年頭了,LG、SK、AESC等公司均有大量成熟產品廣為使用,其最明顯的特點就是外殼為鋁塑膜,因此裝配工藝相對簡單,在動力電池領域使用疊片工藝。

對應的方形鋰離子電池也就明白了,制作工藝上與軟包其實大同小異,只是因為裝配后鋁殼和蓋板的封裝采用了激光焊接,焊接后留有注液孔進行二次注液,組裝工藝自然更為復雜,目前大多使用卷繞成型工藝。由于方形鋰離子電池(國內車型大多采用VDA尺寸)具有電控難度相對較低,且在制作工藝上有安全性上更為突出的雙重好處,可以說是成為越來越主流的選擇。

目前大多數三元鋰電池的突破就是在其現有基礎上使用疊片工藝,這樣就突破了方形疊片最大的難題 - 生產效長島公司找投資_58投融資|www.58trz.com率,這樣帶來的好處就非常多了,這或許將是未來數年動力電池的主流發展方向。不論是軟包還是方形鋁殼動力電池,受新能源車電池包設計的影響,高度普遍受限,其形態正在向著更長的方向發展。為了順應這個趨勢,傳統的卷繞工藝電芯已經不能滿足車規級動力電芯的形態要求,取而代之的將是疊片工藝生產出來的電芯。正是由于疊片電芯尺寸靈活,不受卷繞卷針結構的限制,層疊式生產,極企業項目管理成功要素有哪些_58投融資|www.58trz.com片的界面平整度高。平整度更高了,最直接的變化就是能量密度將提升5%、循環壽命將提升10%,而技術成熟規模化之后成本還能再降低5%。在不改變其他環節工藝、原材料的前提下,僅使用疊片工藝就能提升10%的循環壽命。因此,未來動力電池也將逐漸摒棄模組化,向專業(車規)化、大型化發展,體積越大,疊片的優勢也更加突出,這也是未來動力電池的發展工程項目部資金管理辦法出臺_58投融資|www.58trz.com趨勢;松下、三星SDI、CATL、比亞迪、蜂巢等行業巨頭都有在近期有導入疊片投融資項目平臺_58投融資|www.58trz.com工藝的計劃。當然除了工藝,三元鋰電池還將在降鈷(降低成本)、新材料探索上下很多功夫,目的與工藝改進大同小異,也就不再贅述。另外值得注意的就是磷酸鐵鋰電池,由于工藝同樣得到不小幅度的改進,其電池包系統能量密度已經能達到160Wh/kg左右,雖然與目前的高鎳電池相比仍有差距,但是顯然這樣的表現已經足夠使用在大型商用車以及部分對續航要求不那么極致的乘用車上,再加上成本、安全性優勢,磷酸鐵鋰電池有望煥發第二春,再次提升裝機量。2025:固態電池初露端倪只可惜,通過提升工藝、改變三元配比提升工藝來提升鋰電池的性能,成長空間注定有限,同時還承受著化學特性更加活潑的代價。有沒有立足長遠,更有發展前景的電池技術呢?當然是有的,這就是車載動力電池的終極目標,固態電池。

由于固態電池先天具備化學特性上的優勢,能量密度將輕松突破400Wh/kg,沖擊1000km續航,安全性也將獲得質的飛躍。固態鋰電池,顧名思義就是由固態電解質代替隔膜和電解液。固態電池對于車載動力電池性能的提升是革命性的;形象的來說,使用固態電解質的固態電池相比傳統鋰電池,堪比固態硬盤對機械硬盤的性能提升。固態電解質帶來的好處可是太多了,首當其沖的便是無需傳統三元鋰電池的石墨負極,直接使用金屬鋰來做負極,僅此一步,能量密度就能夠獲得巨幅的提升。

其次,固態電解質也允許使用容量更大的正極材料,同樣能夠疊加提升能量密度,收益更加明顯。更重要的是,固態電解質擁有不可燃、無腐蝕、不漏液、不揮發等一大堆核心優勢,以往純電動車型中所擔心的安全問題也將迎刃而解。解決了續航、安全問題的同時,更不用說固態電池還兼備小體積、壽命長、易回收等諸多優勢。因此,在可見的未來,固態電池將作為車載動力電池、甚至是整個電池行業的發展方向。即便是研發難度巨大、成本高昂,在全行業的需求下,固態電池的未來仍然是明朗的。

屆時,恐怕滿大街跑的電動車續航都超過1000km了。

作者| 皆電 等一個BKB

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