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普通新能源汽車電池使用壽命是多久?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年06月05日  

多年換一次電池合適?怎樣才能延長電池的使用壽命?


首先從影響新能源汽車電池的因素說起,新能源汽車現在主要使用的是三元鋰電池和磷酸鐵電池,氫燃料電池的普及率還不高,所以我們只說一下影響三元鋰電池和磷酸鐵電池壽命的因素:主要有充放電循環次數和濕擱置使用年限這兩點,一般來說,三元鋰電池的充放電循環次數為600-1000次,磷酸鐵電池為2000次,濕擱置使用年限均為5-8年,此外還要綜合衡量放電深度、溫濕度和充電制式的因素,一般來講,三元鋰電池汽車的電池壽命達到6年,磷酸鐵電池汽車的電池壽命達到7年是沒有問題的。


其次從延長新能源汽車壽命的措施來說,一般來講,電池的壽命在出廠時就已經決定了,但是在使用過程中發現,往往達不到理想的年限,電池就出現了問題,這就需要我們在實際使用過程中,采取一些措施來保護電池,延長使用壽命。


首先是充電的時機,鋰電池技術的發展,已經能夠實現對電池的隨充隨用,而不是像以前那樣用完才充,這樣可以使得電池能夠始終處于活性狀態。其次是盡量勻速行駛,電動汽車和傳統燃油車一樣,勻速行駛利于保護三電系統。第三是電動汽車長時間不用時,要經常充電。電池的特性決定了,在長時間虧電狀態下壽命下降很快,所以較長時間不使用電動汽車時,也要經常充電,確保電池電量充足。


,新能源汽車的電池壽命一般為6到7年,只要我們保持良好的駕駛習慣,學會正確的充電方式方法,注意不讓電池長時間處于虧電狀態,那么愛車的電池壽命或許還能延長。


最近新聞報道的動力鋰電池技術路線,提起高鎳三元鋰電池將在今后幾年內成為動力電池的主力,能量密度邁上300Wh/kg的臺階。本文旨在圍觀,關心一下高鎳三元的前世今生。


1鋰電池工作原理


當前常見的鋰電池,主要有三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等等,都是按照正極材料的類型來命名。與之配對使用的商業化負極材料一般都是石墨負極。基本工作原理如下圖所示。


如上圖所示。在充電過程中,由于電池外加端電壓的作用,正極集流體附近的電子在電場驅動下向負極運動,到達負極后,與負極材料中的鋰離子結合,形成局部電中性存放在石墨間隙中;消耗了部分鋰離子的負極表面,鋰離子濃度變低,正極與負極之間形成離子濃度差。在濃差驅動下,正極材料中的鋰離子從材料內部向正極表面運動,并沿著電解質,穿過隔膜,來到負極表面;進一步在電勢驅動作用下,向負極材料深處擴散,與從外電路過來的電子相遇,局部顯示電中性滯留在負極材料內部。放電過程則剛好相反,包含負載的回路閉合后,放電過程開始于電子從負極集流體流出,通過外電路到達正極;終于鋰離子嵌入正極材料,與外電路過來的電子結合。


負極石墨為層狀結構,鋰離子的嵌入和脫出的方式,在不同類型的鋰離子中沒有太大差異。不同正極材料,其晶格結構存在明顯差異,充放電過程中的鋰離子擴散進出,過程略有不同。


2主要正極材料的類型和特點


當前商業化比較充分的正極材料主要有鈷酸鋰,磷酸鐵鋰,錳酸鋰和三元鋰四種。其中,鈷酸鋰雖然能量密度等方面存在明顯優勢,但是安全問題成了瓶頸,使用的范圍越來越小。錳酸鋰,循環性能比較差,高溫性能不好,雖然抗過充能力強,成本又低,但現在主要只在低端或低速車輛上還有使用,市場份額也在縮小。只剩下磷酸鐵鋰和三元鋰是當前真正的主流,二者一個占據能量密度和低溫性能的優勢,另一個則擁有循環壽命和安全性的優勢,國家政策和終端用戶在二者之間有些難于抉擇。目前為止,公交車主要使用磷酸鐵鋰,乘用車等對續航和客戶體驗要求較高的車型則選擇三元鋰電池。


3三元鋰正極材料結構和特點


三元材料是過去幾年的熱點,其中Ni成分,可以提高材料活性,提高能量密度;Co成分也是活性物質,既能穩定材料的層狀結構,又能減小陽離子混排,便于材料深度放電,從而提高材料的放電容量;Mn成分,在材料中起到支撐作用,提供充放電過程中的穩定性。三元鋰,基本上綜合體現了幾種材料的優點。


在三元材料這個大的類別下面,材料中三種金屬元素比例不同,可以看成不同種類的三元材料。一類是Ni:Mn等量型,第二類是Ni:Mn不等量型。


等量型的代表是NCM424和NCM111。在充放電過程中,+4價的Mn不變價,在材料中起到穩定結構的作用,+2價的Ni變為+4價,失去兩個電子,使得材料有著高的比容量。


Ni、Mn不等量型,就是本文的主角,又叫高鎳型三元鋰,主要的代表型號是NCM523,NCM622和NCM811。富鎳型三元材料在電壓平臺低于4.4V(相對于Li+/Li)時,一般認為主要是Ni為+2/+3價參與氧化還原反應,化合價升高到+4價。當電壓高于4.4V時,Co3+參與反應變為+4價,Mn4+不參加反應起穩定結構作用。


高鎳三元給正極帶來的影響


不同比例NCM材料的優勢不同,可以根據具體的應用要求加以選擇。Ni表現高的容量,低的安全性;Co表現高成本,高穩定性;Mn表現高安全性、低成本。要想提高電池的能量密度,提升車輛續駛里程,當前主流觀點是在高鎳方向上,提高高鎳三元的安全性達到車輛使用要求。在三元及前文提及的磷酸鐵鋰、錳酸鋰和鈷酸鋰等成熟商用技術路線以外,也存在著鋰硫電池,鋰空氣電池以及全固態電池等多個技術方向,但都距離成熟商用還比較遠。


三元鋰電池的電化學性質和安全性主要取決于微觀結構(顆粒形態和體積結構穩定性)和物理化學性質(Li+擴散系數、電子傳導率、體積膨脹率和化學穩定性)的影響。


Ni增加使循環性能變差;熱穩定性變差;充放電過程中表面反應不均勻;反應產物中存在大比例的Ni2+,導致材料呈氧化性,緩慢氧化電解質,過程中放出氣體。


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