聚焦EV心臟—鋰離子電池

作者 : Sonu Daryanani

本文聚焦於鋰離子電池在電動車(EV)中的作用,以及這項技術的未來趨勢。

電池是電子產品中的關鍵元件,用於如手機和筆記型電腦等消費電子產品、需要行動和備用電源的基本醫療和工業應用、太陽能等再生能源的儲存,以及電動車(EV)。

改進的能量密度、放電耐受性、工作週期壽命、低記憶效應的充電時間是讓人們喜愛在EV應用中使用鋰離子電池的一些關鍵優勢。1顯示鋰離子電池與其他充電電池的體積能量密度、重量能量密度比較。在這兩個指標上的優勢,能使電池組更小、更輕,從而提高續航里程。

鋰離子電池技術的先進性及其於電動車領域的應用,已激發全球性的研發熱潮,因此,鋰離子電池勢必將在電動車和新能源領域佔據重要位置。目前世界上大多數汽車公司的首選目標和主攻方向,全球已有20餘家主流公司進行車載鋰離子動力鋰電池研發,如富士重工、三洋電機、NEC、東芝、美國江森自控公司等。

Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles

圖1:各種充電電池的體積和重量能量密度。(資料來源:Battery Cell Comparison, epectec.com)

2是Grand View Research對2021年鋰離子電池市場應用領域所做的總結。汽車和太陽能儲存應用表現為該分佈中成長最快的部份。

Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles

圖2:2021年鋰離子電池市場(按應用領域劃分)。(資料來源:Grand View Research)

Yole Group在2022年的一份報告中預測,汽車鋰離子電池市場將以超過20%的複合年均成長率(CAGR)成長,如3所示。圖中所示全電動的純電動車(BEV)擁有當前最大的市佔率,以及最高的預期成長率。

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圖3:車用鋰離子電池市場預計將以超過20%的CAGR成長。(資料來源:Latest developments in electric vehicle battery packs, Yole Group)

4所示,過去15年來的大量研究和開發已經使鋰離子電池的能量密度有了巨大的提升。

Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles

圖4:鋰離子電池的體積能量密度趨勢。(資料來源: “Next-Generation Cobalt-Free Cathodes – A Prospective Solution to the Battery Industry’s Cobalt Problem”, Advanced Energy Materials)

由此產生的需求吸引了更多的製造商。如5所示,更大的製造能力導致這些電池的價格急劇下降,從而使最終客戶受益。

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圖5:鋰離子電池的歷史和未來平均每千瓦時(kWh)成本。(資料來源:Bloomberg New Energy Finance)

EV中使用的電池組包含多個元件,如6所示。讓我們更詳細地瞭解了構成EV中使用的電池組之關鍵零元件。

Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles

圖6:EV電池組分解圖。(來源:Motoiq.com)

單電池:化學成份、形狀和排列方法

單電池(cell)主要透過化學的電解過程產生電能。它可能佔電池組總成本的70%左右。通常使用液態電解質,例如基於LiPF6的電解質。電池的分類通常基於陰極中使用的化學物質。下面列出了鋰離子電池中使用的一些最常見的陰極:

  • LCO:鈷酸鋰
  • NCM:鎳鈷錳酸鋰
  • NCA:鎳鈷鋁酸鋰
  • LFP:磷酸鐵鋰

最常用的化學物質是NCM。典型的比例是1:1:1,儘管現在的趨勢是增加鎳含量並減少鈷含量,例如8:1:1的比例,能夠以犧牲工作週期壽命為代價來增加單電池容量。減少鈷的使用有利於降低成本,並縮減對目前在地緣政治風險較高地區開採元素的依賴。NCA被特斯拉(Tesla)等一些製造商使用,並且可以具有與鎳含量較高的NCM單電池相似的特性。與NCM和NCA單電池相比,鐵基LFP單電池的生產成本低得多,使用起來也安全得多,缺點是能量密度較低。7顯示不同汽車製造商對這些化學物質的使用趨勢。

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圖7:鋰離子電池陰極化學成分用例。(來源:Latest developments in electric vehicle battery packs, Yole Group)

陽極通常是石墨,但趨勢是在其中加入更多的矽奈米顆粒,這能夠以縮短工作週期壽命為代價來提高單電池容量。矽含量約為2%的石墨陽極很常見,但目前仍在繼續研究想將其增加到20%的範圍。

產生EV所需的電壓(通常為400V,未來快速充電趨勢為800V)的最常見組合方法是將單個單電池裝配在一個模組中。單電池串聯和並聯連接從而在模組內產生目標電壓和電流輸出。該模組將被放置在外殼中。然後將這些模組組合在電池組中,電池組也有自己的外殼。這方面的較新方法包括無模組技術(C2P),其中模組被取消,因此只需要一個外殼,以及電池到底盤(C2C),其中單電池直接安裝在汽車底盤上,沒有專用外殼。後面這些方法可以節省更多空間。

單電池的形狀是可以變化的,最常用的是圓柱形、袋形或稜柱形。與其他外形形狀相比,圓柱形單電池較小,通常由鍍鎳鋼製成,負極連接到殼體。這類電池的趨勢是將它們做得更大,例如4680電池,其直徑為46毫米,長度為80毫米,這是為了增加每個單電池的能量容量。電池越大成本越低,但安全風險也更高。一些韓國汽車製造商使用的袋形單電池,一些歐洲汽車製造商青睞稜柱形單電池,它們通常可以比圓柱形單電池更大,並在外形尺寸上進行最佳化,進而提供更高的定制包裝效率。

電池管理系統(BMS)

BMS可被視為電池組系統的大腦,負責多項關鍵操作和安全功能。它通常採用主從架構設計,主BMS的電子控制根據從單電池或互連階段的資料監控從屬模組獲得的資料採取必要的行動。如8的先進BMS示意圖,看看BMS提供的一些關鍵功能:

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圖8:先進BMS的示意圖。(來源:“A Comprehensive Review of Available Battery Datasets, RUL Prediction Approaches, and Advanced Battery Management,” in IEEE Access)

電池保護: BMS監視和控制電池參數,來幫助防止過流、過壓和欠壓。必須監測和控制溫度,因為使用不當或存在缺陷會造成爆炸性熱失控,從而造成災難性後果。BMS確保單電池在其安全工作區(SOA)內運行。還可以監控電池和底盤之間的電氣隔離。

電池狀態監控:充電狀態(SOC)是指電池相對於其容量的充電水準,而健康狀態(SOH)是當前可用最大容量與出廠額定容量之間的比值。鋰離子電池的老化會影響其動態和儲存性能。SOC、SOH和剩餘使用壽命(RUL)的估算涉及到複雜的資料驅動計算,所以在先進的BMS系統中會使用AI和ML演算法。這個資料可以傳送給終端使用者來確定車輛續航里程和整體電池健康狀況。

單電池平衡和電池最佳化:每個單電池的行為可能不同,因此模組或電池組需要一種方法來確保充電和放電均衡。電荷的均衡可以是被動的,指單電池在放電期間全部消耗到已知水準。這會產生熱量並且效率低下。主動平衡涉及使用雙向DC/DC轉換器和MCU,將電荷轉移到外部存放裝置,然後將其平均分配回單電池。可以調整此參數和其他參數(例如溫度)從而最佳化電池性能和壽命。

通訊和資料記錄:與EV主控制單元的通信和電池參數的資料記錄是BMS的關鍵功能。

冷卻系統

BMS透過冷卻系統將單電池的溫度控制在15至35˚C左右的最佳範圍內。除了採用風冷,如Nissan Leaf,也可以透過液冷方式,例如Tesla 3。液冷提供了更大的靈活性,並且正被更廣泛地採用。

電力的互連

一個電池組中可能有數千個單電池,將它們互連可能很複雜。已經使用的一些方法包括超音波焊接、電阻焊接和雷射焊接。使用的方法取決於單電池形式,較小的圓柱形單電池最靈活,而較大的4680圓柱形以及軟包和稜柱形單電池更適合雷射焊接。雷射焊接因此得到越來越廣泛的應用。

未來的趨勢

固態鋰離子電池有望將能量密度提高50%,同時也比基於液態電解質的系統安全得多。幾家公司正在努力將這種更先進的電池投入批量生產。一個例子是QuantumScape,它正在研究一種製造過程中無陽極的電池,其鋰金屬陽極是在正常電池充電過程中產生的,並具有固體陶瓷隔膜。這種電池可以提供多種優勢,例如提高能量密度(如9所示)以及更快的充電速度、更長的工作週期壽命和更高的安全性。

Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles

圖9:包括鋰金屬陽極在內的電池能量密度比較。(資料來源:QuantumScape)

編譯:Ricardo Xie

(參考原文:Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles,by Sonu Daryanani)

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