为什么说电池是电动汽车的心脏？锂电池的分类及优缺点

为什么说电池是电动汽车的心脏？锂电池的分类及优缺点

为什么电池是电动汽车的心脏？ 这要从电动汽车的历史说起。 当谈到电动新能源汽车时，很容易将其概括为一种全新的技术和事物。 事实上，电动汽车的历史比想象的要早得多，甚至早于燃油汽车。 美国人托马斯·达文波特于1834年制造出第一辆直流电机驱动的电动汽车； 苏格兰人罗伯特·戴维森于 1838 年发明了电动火车； 至今仍在使用的有轨电车发明于 1840 年，英国出现了专利。 世界上第一辆电动汽车诞生于1881年，发明者是法国工程师古斯塔夫·特鲁韦。 这是一辆由铅酸电池供电的三轮汽车。 之后，出现了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等燃料电池。

可见，虽然电动汽车比燃油汽车发展得更早，早期也取得了一定的规模，但到了现代，由于燃油汽车的蓬勃发展，电动汽车在竞争中却屡屡受挫。 但真正的问题在于，过去基于铅酸电池的电动汽车受到铅酸电池的密度、寿命、功率等方面的限制。 他们一直无法在动力来源，即电池上取得突破，从而使他们的电动汽车发展陷入停滞。

锂电池的分类、优缺点

这个问题直到锂电池的出现和20年的蓬勃发展才逐渐得到改善和解决。

锂电池通常分为两类：

锂金属电池：锂金属电池一般采用二氧化锰作为正极材料，金属锂或其合金金属作为负极材料，采用非水电解质溶液。

锂离子电池：锂离子电池一般采用锂合金金属氧化物作为正极材料，石墨作为负极材料，非水电解液。

锂金属电池的能量密度虽然很高，理论上可以达到3860瓦/公斤。 但由于其性能不够稳定，且不能充电，无法作为动力电池重复使用。 锂离子电池由于具有可重复充电的能力而被发展为主要的动力电池。 但由于它们与不同的元素结合，所形成的正极材料在各方面的性能差异较大，这导致业内对于正极材料路线的争议增多。

通常我们谈论最多的动力电池包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池和三元锂电池（三元镍钴锰）。

以上几种电池各有优缺点，大致可概括如下：

磷酸铁锂：

优点：寿命长、充放电倍率大、安全性好、耐高温性能好、无有害元素、成本低。

缺点：能量密度低、振实密度（体积密度）低。

三元锂：

优点：能量密度高、振实密度高。

缺点：安全性差、耐高温差、寿命差、大功率放电差、有毒元素（三元锂电池大功率充放电后温度急剧上升，高温后释放的氧气非常容易燃烧） ）。

锰酸锂：

优点：振实密度高、成本低。

缺点：耐高温性能差，锰酸锂长期使用后温度急剧上升，电池寿命衰减严重（如日产电动车LEAF）。

钴酸锂：

通常用于3C产品，安全性极差，不适合动力电池。

理论上来说，我们需要的电池应该具有能量密度高、体积密度高、安全性好、耐高温低温、循环寿命长、无毒无害、大功率充放电、综合成本低等优点。 但目前这样的电池并不存在，因此不同类型电池的优缺点之间存在权衡。 而且，不同的电动汽车对电池的需求点也不同。 因此，只有对电动汽车进行长期判断，才能正确判断电池路线的选择。

磷酸铁锂电池的优点

这里我们需要回顾一下前两篇文章的讨论。 我们分析，未来的电动汽车应该以小里程、快充的电动汽车为主。 目前，家庭用车需要长续航双模混合动力汽车，以及面向客车市场的长续航纯电动汽车。 那么这样的汽车需要什么样的电池呢？

1. 安全

首先，安全是汽车的必要前提。 汽车不同于手机和电脑。 汽车在高速行驶时可能会遇到很多不可预测的因素，比如电池挤压、车祸造成的撞击等。 而任何不利因素都可能造成车辆损坏和人员死亡。 我们可以看到，一些老年滑板车使用的是劣质铅酸电池，安全性根本没有保障。 有许多电池在受到撞击后自燃和燃烧的情况。 另一个例子是特斯拉去年连续发生的火灾事件。 虽然由于特斯拉的安全设计没有造成人员伤亡。 但同时我们也必须注意到，这些事件都是非常轻微的碰撞。 碰撞本身没有对汽车或人员造成伤害，但电池着火了。 如果是更严重的事故怎么办？

2.高倍率放电寿命

普通汽车的使用寿命长达数十年。 电动汽车的电池10年内至少需要循环3000次。 作为一个相对昂贵的部件，电池寿命能否与汽车持平非常重要。 既要保证车辆的性能，又要保证车主的利益，以利于市场的推广。 目前，全球所有车企的电动汽车中，只有去年推出的比亚迪“秦”对电芯实行终身保修。

电池的寿命也就是循环寿命，并不是电池参数给出的简单数字。 电池的循环寿命与电池的循环状态密切相关，如放电倍率、充电倍率、温度等。通常电池实验室数据得到的循环寿命是在0.3C恒定充放电倍率下得到的以及 20 度的恒定最佳温度。 然而，在实际车辆使用中，放大率和温度并不是恒定的。 这就是为什么笔记本电脑、手机、电瓶车等电池的实际寿命远远小于厂家给出的数据的原因。 至于中小里程纯电动汽车和长续航双模混合动力汽车，由于搭载的电池较少，其放电要求会更高，对其寿命影响较大。

例如，A123磷酸铁锂电池通常循环寿命在3000次以上。 但A123磷酸铁锂航模电池在10C充电倍率、5C放电倍率下使用时，实验室中寿命缩短至仅600次，而实际使用中也只有400次左右。 这显示了放电率对寿命的影响。 。

以比亚迪的“秦”为例，它只有13KWH的电池，驱动峰值功率为110KW的电机。 可以计算出，当“Qin”充满电时，其最大放电倍率高达8.4C。 尤其是“琴”只有50%电量时，其最大放电倍率可达18C。 如果功率再低，放电倍率就会超过25C，这会大大缩短电池的寿命。

再看P85千瓦时的特斯拉，最大功率310KW的电机看起来非常巨大，但实际上电池放电倍率只有4C。 当只有30%电量时，最大放电倍率只有10C。 而且，特斯拉的大容量电池很大程度上避免了电池在高功率下的放电。

通过简单的对比，我们就能看出比亚迪电池高倍率放电寿命的优越性。

3、温度适应性

严寒对电池的影响主要表现在充放电倍率低、容量降低； 极热对电池的影响主要表现在寿命缩短、高温安全性和充放电能力降低等方面。

极寒对电池的影响比较轻，因为一般锂电池都可以在-20度以下使用，且放电过程中电池本身会发热，但能耗的增加和功率的下降是不可避免的。

严寒对纯电动汽车的影响与对双模混合动力汽车的影响不同。 由于纯电动汽车没有其他动力源，为了在极寒条件下达到合适的温度，必须依靠电池放电和加热，这会对能耗和续航里程产生很大影响。 冬天特斯拉的百公里能耗和续航里程与平时有明显差异。

对双模混合动力的影响较弱。 因为混合动力车有发动机作为备用提供能量。 例如，比亚迪去年11月在包头举办了“秦”推介活动。 当时夜间气温为负15至20度。 如果早上在极冷的条件下启动车辆，系统会自动切换到HEV模式，发动机将驱动空调，快速提高车辆的效率。 内部温度，然后当温度升高时切换回 EV 模式。

极端高温对纯电动和混合动力汽车都有很大影响。 例如，大功率放电时电池本身的温度会升高。 以普通锂离子电池为例，在20C放电时，电池的温度可升至近50度。 如此高的温度不仅影响电池的寿命，更重要的是存在安全隐患。 比如特斯拉的三元电池在高温环境下会释放氧气，而氧气是易燃物。 特斯拉通过循环冷却系统降低温度，并用硬壳对电池进行绝缘，以防止氧气逸出。 但被击中起火还是难免的。

4、能量密度

能量密度，顾名思义，是电池每单位重量所能容纳的能量。 能量密度通常是判断电池性能的重要指标，但在我的分析系统中，能量密度在电池性能指标中并不是很重要。

原因有二：

1.能量密度必须与其他性能相结合。 比如磷酸铁锂电池的能量密度确实不高。 但由于其安全、稳定、耐高温等特点，磷酸铁锂电池组成的电池极其简单，不需要太多的防护辅助设备。 特斯拉的三元电池虽然电芯密度高，但不安全，不能承受高温，因此必须结合一套复杂的电池保护装置，而这些装置增加了汽车的重量。 有报道称，在连续发生燃烧事故后，特斯拉正准备加厚电池保护设备，这将削弱三元电池的能量密度优势。

2、重量对汽车影响不大，特别是混合动力和小里程纯电动汽车，是未来电动汽车的主流趋势。 我们可以想象一下能量密度为/kg的电池和能量密度为/kg的电池之间的比较。 即使在最大总功率80度的情况下，两块电池的重量相差也只有200KG。

这对于接近 2 吨的汽车影响较小。

因此，我认为虽然电池的能量密度自然是越大越好，但没必要刻意追求最大。 特别是能量密度越大，越不稳定。 这是基本常识。 只要足够，能量密度并不是太重要。

5. 成本

成本很容易理解。 想要广泛普及，必须有成本优势，这在本系列第一篇文章中已经计算过。 对于小里程纯电动或混合动力汽车，一方面需要减少车载电池用量以节省电芯成本，另一方面需要降低电池组成本保护设备。 因此我们发现，虽然特斯拉的电芯成本相对较低，但整体成本仍然较高。

从上面的讨论我们知道，不同的锂离子电池有天然的优点和缺点。 但重要的是如何对电动汽车未来发展的关键要素进行排序，从而选择适合趋势的电池。 综上所述，综合考虑安全性、寿命、放电能力、温度适应、能量密度、成本等因素，相信磷酸铁锂电池仍将是未来动力电池的主流。

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