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4680电池?固态电池?谁才是新能源汽车的“最优解”
现在影响用户是否买一辆电动车的第一考量就是续航,补能时间也是影响续航体验的重要一环。因为冬日续航能力缩短、假日堵车充电难的现状,很多新能源汽车车主在吐槽“电动爹”的问题。

电动车主要由电池、电机、电控构成,目前电池占据最重要地位,电池成本占到一辆车的近40%,就像是电动汽车的“心脏”。电池的重要性不言而喻,它决定了一辆电动汽车的动力性能、续航时间、安全性(是否会自燃)。

纯电车要完成适应城市通勤到城际通勤,就是目前努力的目标。2022年,一批理论里程达到1000公里的产品已经面世,“里程忧虑”有望缓解的关键就在电池性能的提升。要把电池做的更轻,价格更便宜,充电时间更短,安全性更高,耐寒耐热性更好,选纯电车的关键就在于选电池。

新造车行业在过去十来年发动了一场电池战争,因为技术路线不同,玩家们自动划分为磷酸铁锂和三元锂两大阵营。在性能、安全、成本这三大因素的综合作用下,磷酸铁锂和三元电池的市占率此消彼长。不论是产量、销量还是装车量,前几年都是三元电池牢牢占据上风,但是到了2020年磷酸铁锂电池产量首次超过三元电池。

然而,不论是三元电池还是磷酸铁锂电池,目前都还存在弱项,都不一定是终极的电池解决方案。更多的技术方案在同步研发中,例如以固态电池为代表的更前沿的技术。

4680不是真正的突破?

特斯拉布局已久的4680电池终于要大规模量产交付了。据特斯拉官方消息,加州试点工厂在1月生产了100万块4680电池,这标志4680电池开始量产。4680电池的存储容量将是2170电池的5倍,功率则高达6倍,预计可使车辆续驶里程增加16%,成本下降14%。

良品率一直是困扰4680电池量产的最大问题之一。去年7月,马斯克还坦言4680电池遭遇量产瓶颈,即正极辊压环节出现问题。2021年年底,松下联合索尼对外宣称,4680电池的良品率已经从之前的20%提升至80%。这或许也是松下宣称今年实现试生产的底气。

2020年9月,特斯拉在电池日上发布了4680电池,是一种三元锂电池。4680电池全称是4680规格无极耳圆柱电池,46指圆柱电池的直径为46mm,80指电池的高度为80mm。4680电池的优势就在于,相较于以往的2170、18650等电芯,体积上有了巨大的增加,在单体容量内能够储存更多的能量,与单纯的在电池组内增加电池数量道理相同。

4680电池单体电芯容量为9000mAh,此前的2170则仅有5000mAh能量的提升自然更加明显。以特斯拉畅销Model 3举例,目前M3 P使用的2170电芯,装满整个电池组需要4416枚,电池容量在78.3kWh左右。这4千多枚电芯密密麻麻的装入电池组内,电芯体积小导致空隙更小,且每个电芯装配需要的时间和材料也就更多。

相比之下,装满M3 P的电池组则仅需960枚4680电芯,换算一下总容量可以达到130kWh,提升75%。此外由于4680单体电芯体积更大,封装材料数量减少,用于包装电芯外壳成本减少,重量也会随之降低。同时,电芯体积大带来的另一个好处是,电芯之间空隙变大,更容易布置散热装置。

在电池控制系统的管理上,成本也会随之降低。继续以M3 P为例,4千多枚2170电芯需要封装为“Bank”和“brick”,多枚电芯会封装为一个“brick”,多个“brick”由一个“Bank”控制,每个“Bank”需要装入自己的控制模块,这些微型计算器都是成本。若采用4680电芯则更加简单,由于电芯体积和容量大,电芯数量减少,只需要一个控制模块即可统一管理,控制更加简单高效。

另外值得注意的是,4680电池采用了无极耳设计,取消了传统的极耳结构,将作为集流体的铜箔延展出来作为极耳,这也是为什么4680的无极耳设计,也可以称之为全极耳的原因。

无极耳带来的好处也显而易见,此前需要单独焊接极耳,用于电能流经。如今取消极耳设计,将电芯整个侧面当做极耳,电能传送更加顺畅、传送路径缩短、减少内阻、降低极耳处的电流密度和发热量,(全极耳)也就能够承受更大的电流。也正是因为极耳尺寸更大,散热更加均匀,间接提升了4680电芯的充放电性能。

SNEResearch数据显示,2021年全球动力电池装机量为296.8GWh,比上年增长102.18%。预测随着特斯拉全球销量增长以及4680电池在三元电池车型中渗透率提升,2025年特斯拉搭载4680电池的车型销量将超160万辆,在特斯拉总销量中渗透率近50%,装机量预计达123GWh,全球装机规模将达到264GWh,在动力电池中的渗透率22%。

除了松下,韩国的LG能源、三星SDI,国内的比克电池、亿纬锂能、蜂巢能源等,也先后跟进了4680电池的研发。当“宁王”在动力电池领域一家独大,无法撼动其地位的玩家将目光纷纷聚集在了尚无定论的4680圆柱电池上。

4680电芯可以算作是当前电池技术遭遇瓶颈时,吹来的一缕清风,为焦虑的各大车商提供的新的思路,再次提升了纯电动车辆的综合性能。总的来说,4680电池是一个很好的封装,不是化学层面的突破,并不能算得上质变,但却提升了自己在产业中的竞争力,也让逐渐恢复平静的新能源车战场再次紧张了起来。同时,作为纯电动汽车的核心部件,车企在电池领域的研发竞争也会更加激烈。

固态电池是什么?

要想实现电动汽车售价与燃油汽车相当,每千瓦时电池生产成本要降至100美元。决定电动车对燃油车市场的蚕食速度的,是电池技术能否实现真正变革。

如今电动汽车上所使用的大多是三元锂电池或磷酸铁锂电池,其中三元锂电池能量密度相对较高,且有更好的性能。不过,三元锂电池也遇到了性能瓶颈,即便是特斯拉这样的头部电动车企,其车上所搭载的三元锂电池也仅有260Wh/kg的能量密度。就算行业中能超过300Wh/kg的能量密度,这也就已经接近天花板了,三元锂电池想大幅度提升能量密度,很难很难了。

眼看着三元锂电池不给力了,电池研发人员和各大企业也开始另辟他境。于是,固态电池就成了行业内探讨最热的话题。

在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池,使用固体电解质替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,未来的固态电池能量密度将比现在的三元锂电池提升30%-50%左右。

固态电池具有发展的必然性。固态电池采用不可燃的固态电解质替换了可燃性的有机液态电解质,大幅提升了电池系统的安全性,同时能够更好适配高能量正负极并减轻系统重量,实现能量密度同步提升。在各类新型电池体系中, 固态电池是距离产业化最近的下一代技术,这已成为产业与科学界的共识。

固态电池产业化阶段尚处早期,但有望在未来超速发展。当前已实现小部分商业化的固态电池产品对比传统锂电暂未形成足够的竞争优势,而未来固态电池将走阶段发展的路线,从特殊领域逐渐往动力电池过渡, 并且随着国际巨头的加速布局,固态电池将进入发展的快速轨道。

固态电池体系革命更小。锂硫电池、锂空气等体系需更换整个电池结构框架,难题更多也更大,而固态电池主要在于电解液的革新,正极与负极可继续沿用当前体系,实现难度相对小。

赣锋锂业的固态电池采用的隔膜为固态柔性隔膜,电解质为半固态。这里也比较清晰了,和此前蔚来发布的固液混合电解质电池,它们还都算不上是严格意义上的固态电池。但固态电池产品化仍需时日,而半固态方案不仅技术可行,而且具有衔接性,可以使用现有设备生产。半固态电池较之固态电池并不是过渡产品,而是对于目前三元锂电池更成熟的迭代产品。

展望未来发展趋势,技术上步步为营,应用上梯次渗透,固态电池阶段发展之路已经明晰。结构上, 现阶段电池体系包含部分液态电解质以取长补短。 而技术发展过程中将逐渐减少液体的使用,从半固态电池到准固态电池,最终迈向无液体的全固态电池。

固态电池还需解决哪些问题?

行业内共同认可的固态电池量产时间大约在2025年左右,目前仍然需要解决一些实际问题。在固态电池产品化之前,新能源汽车销量将累计达到六千多万辆,渗透率将提升至21.2%,这一巨大的市场对于技术换代的需求是很迫切的。

固态电池的电解质会分为聚合物类、氧化物类、硫化物类,它们有着不同的性能表现。这其中,消费类产品所使用的通常为聚合物电解质,而电动汽车要搭载的固态电池大多应为硫化物电解质。宁德时代、松下、三星这样的企业,都是计划生产硫化物固态电池用作电动汽车的动力电池。

对于硫化物电解质的固态电池的量产仍需时日。至少到现在,包括清陶、比亚迪、宁德时代,或是欧美的一些电池企业在内的各大企业,都没有明确表示已经可以将电动汽车所使用的固态电池进行商业化生产。

固态电池尽管能量密度大、更安全,但是换做固态电解质以后,电池内部的离子活性会变差,也就是导电能力变差。固态离子扩散速度只有液态的十分之一,现在的固态电池能量密度反而比液态低约40%,且成本更高。其次,固态电池的固体界面接触阻抗较大,发热量也会增大,需要有合理的控制才行。

此外,固态电池目前存在循环不好的问题,要保证车主们频繁的充放电使用场景,就要保证足够的充放电次数。最后,电动汽车固态电池的生产和制造成本必须要降到合适范围内,否则,只是做出几十台车使用的固态电池,完全没有意义。

当然,如果这些问题都被解决了,那量产的车规级固态电池就会大放光彩。新能源电动汽车的爆发可谓是跨时代的一笔,而固态电池取代三元锂电池也将是革命性的。从固态电池的发展阶段来看,科研人员还在逐步完善固态电池的一些缺陷,并且也在等待其商业化量产的契机。

锂电产业链是一个至少还有10年良好前景的行业,而新技术的开发与崛起也将不断强化行业的估值与前景。在行业看好与多方布局之下,固态电池产业有望获得超速发展,未来有望成为行业的新爆发点与关键性技术保障。

电池行业一直在寻找“全能冠军”,这是推动技术进步的重要动力。新老巨头、整车厂和电池供应商、外资和本土玩家,各股势力、各派玩家,全部加入到这场竞赛中。这是一场和时间的赛跑,所有人都想做时间的朋友,但现在显然无法决出胜负。

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