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电趣事|“5号电池”是新能源汽车的未来?

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  2022世界杯在哪里投注(墨西哥队)有限公司 报道购买了一辆纯电动车,重达千斤被安装在车辆的底盘位置,又被白车身框架牢牢保护的电池包,是由大量的电池单体通过正负极相连组成的,可您知道电池单体的形状分为哪几类吗?本着学到老活到老的求知态度,今天咱们就来聊聊当下热门电池类型之一的圆柱电池。

  几千节电池驱动车辆行驶?

  提起电池这个词汇,相信大家肯定都不陌生,如今新能源汽车市场常见的有圆柱电池、方形电池和软包电池。圆柱电池是我们平时能经常接触到的电池类型,在遥控器、儿童玩具和无线鼠标等内部,都能看到圆柱电池的身影。

  但要说特斯拉旗下车型所搭载的电池包,就是由密密麻麻多达几千节圆柱电池组成的,是不是感觉有些匪夷所思呢?虽然可能有些出乎意料,可事实却真的是如此。

  以特斯拉Model S这款车型为例,在以前电池包容量为85kW·h的版本车型中,其内部就曾填充有约7000多节圆柱电池,不过这些电池和平时我们接触的5号、7号圆柱电池不同,它是由松下公司生产提供的18650圆柱锂电池(以下简称18650电池)。

  之所以要使用圆柱锂电池为基础的电池包,是因为这种电池早在1990年就已经被开发出来,最早它的名字叫LIB(Lithium IonBattery)电池,直译过来也就是锂离子电池。随后索尼公司制订了18650电池的标准,并于1991年正式推出了商用级别的18650电池,装配到自家的摄像机中,直到后来它逐渐被市场认可,成为了电池行业中成熟度高、普及率广的电池类型,在充电宝、笔记本电池等内部就常有它的身影。

  又因为特斯拉进入纯电动车型市场的时间较早,当时18650电池的各项标准都已经非常成熟,在市场中也有不少电池公司能做到大批量的生产,综合安全、成本等方面的考究,特斯拉最终也就将目标锁定在18650电池上了。如今特斯拉除了使用型号为18650、2170的圆柱电池,在未来还计划将型号为4680的圆柱量产装车。

  但我们要知道圆柱电池并非是锂电池的专利,像镍氢电池、镍镉电池也都有圆柱的设计,我们生活中常见的南孚电池,它就属于是锌锰电池。通俗点来说圆柱电池就是一种包装形式,就像是不同口味的包子,牛肉馅、猪肉馅、韭菜鸡蛋馅等等,虽然外面都是一层白白的面皮,可内部却是酸甜苦辣大有乾坤。

  一串数字代表了电池的身份?

  可能细心的朋友已经注意到,为什么要给电池取一串数字的代号呢?除了区分电池的不同型号外,这串数字还蕴含有电池的基础信息。以18650电池为例,其中的“18”代表的是电池直径为18mm,“65”代表的是电池长度为65mm,“0”则表示这是一个圆柱电池。

  从2170、4680的数字信息中可以看出,这两者的直径分别是21mm和46mm,长度分别为70mm和80mm。值得注意的是2170、4680的命名和18650有些不同,它们简化掉了末尾的“0”,可不要把它们的长度误读为7mm和8mm了。

  圆柱电池代号的那串数字数值越大,就代表着电池越粗越大,这也就表明其内部的电池容量越大,单节18650、2170、4680的电池容量分别为3100mAh、5000mAh和9000mAh。以使用2170电池的Model 3为例,它的电池包内部包含有4000多节2170电池,相比Model S的7000多节少了将近一半的数量。

  如果按照圆柱电池的命名逻辑,日常中常见的5号电池的直径一般为14mm,长度为50mm,以后出门买电池可以和商店老板大声说“老板,给我来两节14500电池”,听起来就有种非常专业的范儿。

  其实除了电池型号的不同命名,18650、2170和4680三者还有一个共同的种类名称—NCM811。其中的NCM分别代表的是电池的正极材料主要成分是镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn),三者的用量大约成8:1:1的比例,这也是后缀“811”的由来,在这里和大家讲个冷知识,钴(Co)因为资源稀缺的缘故,其价格比黄金(Au)要高得多。

  一节电池的成功之路!

  在内部结构方面,圆柱电池的内部主要包括有正极、负极、隔膜、电解液、保护阀、排气孔等结构,它的生产流程主要有电极制作、卷绕、组装和化成等环节。

  通俗点来说,圆柱电池就像一份鸡蛋灌饼,在炉子上将面糊摊成圆形后,加入一些葱花、香菜、煎鸡蛋、香肠等配料,最终折叠成形并斩成两段装好交给客户,其中各种配料就是指正负极等结构,摊、斩则、折叠则是指生产流程。

  值得注意的是,无论是圆柱电池、方形电池还是软包电池,因为电池本身自带的特殊属性,在极寒、极热等环境电池内部的化学反应活性会降低,且电阻会随之升高,内部的膈膜通透能力减弱,所以正极向负极流动的电子也跟着变少,最终导致车辆续航里程会跟着温度变化有着不同程度的打折。

  生产出来的大批量18650电池,经过挑选后的每节良品会按照并联的方式进行组装连接,之后就像做千层蛋糕似的,多节电池组成电池砖,多个电池砖组成电池片,电池片再进行排序封装,最终几千节18650电池共同组成了电池包。

  其实使用技术、标准、生产都已经非常成熟的产品,除了考虑安全、成本等因素的影响,还拥有防止被卡脖子的风险。就拿18650电池举例来说,像松下、索尼、三星、LG等都具备大批量生产这种电池的能力,因此特斯拉就不必担心某个供应商突然要求涨价的可能性。

  同时,让这些企业按照既定的标准去生产18650电池,或者是2170、4680电池,将电池收购过来后就可以按照自己的需求,使用各种各样的排序方式和封装工艺,让最终的电池包具有多样化属性,以便于和不同车型进行匹配,这种省时省力的模组化理念早已在各行业被广泛应用了。

  在安全方面,圆柱电池在充放电时,极耳产生的热量有可能会引发热失控的风险。所谓极耳,它贯穿了整个圆柱电池,电池在放电时内部的电子会从正极极耳向负极极耳流动,因为金属具有导电性的同时,还会有着对电流阻碍作用的电阻,所以在电阻的作用下充放电时极耳会产生许多热量,在电池的顶部、底部的凸起便是我们肉眼能看到的极耳。

  其实可以将极耳看作是A点通往B点的一条狭窄道路,道路上的行人、车辆来来往往,人流、车流密度高不免会出现一些交通事故,其中的行人、车辆可以理解为电子,发生的交通事故则是电子从正极流向负极产生的热量。

  单节圆柱电池产生1份热量,那么电池包内部的几千节就有几千份热量,这些热量积压在一起如果电池管理系统不给力,就有可能造成车辆自燃起火等现象。为了摆脱这一尴尬的困境,特斯拉申请了无极耳技术专利,上文提到的4680电池就使用了无极耳技术。

  失去“耳朵”却实力大增

  从字面上来看无极耳像是把电池内部的极耳去掉了,事实上来说它是把之前A点通往B点的一条窄路,现在扩充整改为了多条宽敞的大道,道多又宽敞那么行人、车辆的密度会大大降低,发生交通事故的概率也就随之降低了。降低了在充放电时极耳产生热量引发热失控的风险,圆柱电池的安全可谓是“更上一层楼”。

  除此之外,4680电池还使用了硅负极材料和干电极等技术,这些技术的主要作用是提升电池单体的能量密度,通俗点说也就是让一节电池能够储存更多的电量。

  值得一提的是,不同于18650电池节→砖→片→包的模组化结构,4680电池在CTC(Cell to Chassis)集成技术的基础上,单节电池不再需要复杂的封装,只需将单节4680电池按照顺序正负极相连,以无模组化的形式和白车身结构直接融合为一体,这样设计减少了整个电池包的总重量,相对而言提升了车辆的续航里程。

  在电池的数量方面,因为4680电池相比2170电池有着更大的电池容量,官方称将使用960节4680电池组成的电池包,为特斯拉旗下的车型提供动力源泉,相对Model 3使用了4000多节2170电池来说,其数量已经缩减至千节以内了,这对于后续的管理维护有着很大的益处。

  从数据上来看,使用2170电池的特斯拉Model 3,它所搭载的电池包能量密度为170Wh/kg,未来使用4680电池组成的电池包,其能量密度或许能达到300Wh/kg。

  小小电池能活一百年?

  除了电池容量的问题,电池的循环寿命也是一大重要问题,根据电池类型、电压的不同,其寿命次数也是不相同的,按照国内汽车行业的标准,电池经过1000次充放电循环后,其实际容量应该大于初始容量的80%。

  以18650电池为例,它的循环寿命根据电池电压的不同,一般充放电次数在500~2000次的区间,从参数上看是满足国内标准的。假设搭载18650电池包的特斯拉Model S,保守点估算它充满电后能行驶400公里,以1000次的充放电循环次数为准,那么电池包的实际使用寿命约为40万公里左右,如果按照1年行驶2万公里的里程计算,大约可以正常使用20年。

  当然靠官方数据可能信服力还不够,曾经就有过一名德国的特斯拉车主,驾驶一辆在2014年购买的特斯拉Model S,共计实际行驶了100万公里,被收录于《吉尼斯世界纪录大全》中,在这场100万公里的行驶里程壮举中,车主曾经更换过3次电池包。

  如今这辆特斯拉Model S的实际行驶里程已经超过了160万公里,根据资料显示第一块电池包行驶了约29万公里,第二块属于是特斯拉临时给车主换的电池包,共行驶了约25万公里,第三块电池包在行驶了约46万公里时,其电池包实际容量仍有初始容量的86%之多,按照如今超160万公里计算的话,第三块电池包已经行驶约有100万公里了。

  考虑到这辆车是从2014年开始上路行驶的,距离现在已经过去了七八年,在这几年的时间里电池技术也在不断更新迭代,所以现在电池包的寿命要想实际行驶40万公里,从技术层面应该是不难做到的。

  在电池循环寿命方面,特斯拉在2019年就递交过一项,可以支持车辆行驶100万英里(约160.9万公里)的镍钴铝(NCA)电池专利申请。在今年5月份特斯拉和达尔豪西大学又联合发表过一篇论文,论文内容的主题是研究一种可以使用100年的新型镍基电池,但从目前的技术层面来看,因为这种电池的成本非常高,所以在未来短期的时间内,应该不会将这种电池量产装车。

  圆柱电池成了“香饽饽”?

  除了特斯拉目前在大量使用圆柱电池外,如今德系百年老牌车企大众和宝马也有意想要使用圆柱电池。在今年的7月份,曾获得大众、宝马等企业投资的瑞典电池公司Northvolt,它研发的2170电池未来可能向大众、宝马、沃尔沃等车企供应,有小道消息称这家公司是基于大众的要求才去研发的2170电池。

  在今年的9月份,有消息称信新一代宝马iX4预计在2026年开始生产,新车将使用全新的Neue Klasse平台,并配套搭载第六代电池系统,更重要的是新一代电池系统使用的电池包可能会由圆柱电池组成。

  同样在今年的9月份,宝马又官宣和宁德时代合作,将使用宁德时代生产供应的直径为46mm的圆柱电池,这种电池的生产标准则是宝马提出的,而且为了匹配宝马以后全新的纯电动架构,在同一直径下宝马还给出了两种不同高度的圆柱电池生产标准,这也说明了宝马在未来的纯电动车型可能会大批量使用圆柱电池包。

  写在最后

  圆柱电池的发展虽然只有二三十年的历史,但随着新能源汽车的大力发展,它的更新迭代速度也是十分地迅速,从最早的18650系列到现在的4680系列,特斯拉、大众、宝马等车企都相继走向圆柱电池的阵营。在未来的新能源汽车市场,还会有其它车企使用圆柱电池组成的电池包吗?这个问题的答案值得让人期待。

责任编辑:王欣

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