電池能量密度
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動(dòng)力鋰離子電池包熱管理及熱失控分析 --CONVERGE計(jì)算方案【微信公眾號(hào)：艾迪捷】
動(dòng)力鋰離子電池包熱管理及熱失控分析 --CONVERGE計(jì)算方案 適用人群：面向電池行業(yè)的設(shè)計(jì)人員和仿真工程師 動(dòng)力鋰離子電池包熱管理及熱失控分析 --CONVERGE計(jì)算方案（免費(fèi)）【已結(jié)束】 直播時(shí)間：2020-08-04 19:30 鋰電池因?yàn)槠涓?em>能量密度和大輸出功率的特點(diǎn)得以快速推廣使用，但由于其熱不穩(wěn)定性，在極端條件下發(fā)生火災(zāi)爆炸的幾率很大，所以鋰電池的安全性成為動(dòng)力電池最關(guān)注的問(wèn)題之一
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電池能量密度的實(shí)例教程
什么是電池能量密度？
根據(jù)計(jì)劃，財(cái)政補(bǔ)助到2020年將持續(xù)減少，電池能量密度在每千克160瓦時(shí)（Wh/kg）或以上的新能源汽車，可享受新補(bǔ)貼政策的最高補(bǔ)貼。
但是，工信部2019年第2批推薦目錄中，純電動(dòng)乘用車83款，其中電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到160Wh/Kg的只有13款。鳳凰環(huán)氧樹(shù)脂127https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48285.html
而按照我國(guó)政府規(guī)劃，到2020年動(dòng)力電池單體能量密度大于300Wh/Kg，系統(tǒng)能量密度可到260Wh/kg。
“提高電池包質(zhì)量能量密度的需求十分迫切。”中科院電動(dòng)汽車研發(fā)中心（天津）副主任、天津中科先進(jìn)技術(shù)研究院材料事業(yè)部部長(zhǎng)曹曉燕博士在由尋材問(wèn)料?主辦的“2019?第五屆碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上表示。
中科院電動(dòng)汽車研發(fā)中心（天津）副主任、天津中科先進(jìn)技術(shù)研究院材料事業(yè)部部長(zhǎng)曹曉燕博士
提高輕量化水平可間接提高動(dòng)力電池能量密度。曹曉燕博士認(rèn)為，出于安全性考慮，提高電池系統(tǒng)能量密度的工作重心已經(jīng)由提高電芯能量密度轉(zhuǎn)為整個(gè)系統(tǒng)減重。
數(shù)據(jù)可能體現(xiàn)會(huì)更直觀。曹曉燕博士指出，電池包在整個(gè)電動(dòng)汽車重量的占比達(dá)到29%，因此電池包的減重對(duì)電動(dòng)汽車減重貢獻(xiàn)巨大，需要加大電池包輕量化技術(shù)研究力度。
另外，電動(dòng)汽車安全性問(wèn)題也是普遍關(guān)注的敏感問(wèn)題，電池包作為純電動(dòng)汽車的核心部件，電池包的安全性直接影響到整車的安全性。
“電池包輕質(zhì)材料的發(fā)展，經(jīng)歷了從鋼到鋁合金、工程塑料，再到碳纖維及其復(fù)合材料的歷程。”曹曉燕博士表示，碳纖維復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕抗老化性好等優(yōu)點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)電池包箱體、解決行業(yè)痛點(diǎn)的關(guān)鍵材料之一。
這從天津中科先進(jìn)技術(shù)研究院針對(duì)電動(dòng)汽車領(lǐng)域關(guān)鍵核心部件，開(kāi)發(fā)的新型復(fù)合材料電池包外殼實(shí)際案例也能看出。
展開(kāi) 植入式電子器件需要高能量密度且生物安全的能源系統(tǒng)為其供電。鋰、鈉等金屬離子電池能量密度較低，鋅、鋁等金屬空氣電池通常需要使用堿性電解質(zhì)，生物毒性較大。
鎂空氣電池具有較高的理論能量密度，使用中性電解質(zhì)，且鎂生物安全性較高，是一種較為理想的體內(nèi)能源設(shè)備。然而，目前報(bào)道的鎂空氣電池實(shí)際能量密度低，一方面是由于鎂負(fù)極和水系電解質(zhì)容易發(fā)生腐蝕反應(yīng)。另一方面放電產(chǎn)物氫氧化鎂會(huì)附著在鎂金屬表面，阻止電解質(zhì)和鎂的接觸，使放電反應(yīng)停止，降低鎂負(fù)極的利用率。
南京大學(xué)張曄課題組等設(shè)計(jì)了一種雙層凝膠電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎂金屬負(fù)極的保護(hù)以及對(duì)放電產(chǎn)物的調(diào)控，獲得了具有高能量密度的鎂空氣電池（2282 W h·kg-1，基于全部空氣電極和鎂負(fù)極的質(zhì)量），遠(yuǎn)高于目前文獻(xiàn)中采用合金化負(fù)極和抗腐蝕電解液等策略的鎂空氣電池。該研究成果以“High-energy-density magnesium-air battery based on dual-layer gel electrolyte”為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104536
雙層凝膠電解質(zhì)是由聚氧化乙烯有機(jī)凝膠和聚丙烯酰胺水凝膠組成，兩層凝膠可以形成穩(wěn)定界面，其中聚氧化乙烯有機(jī)凝膠有效保護(hù)鎂金屬，抑制腐蝕。聚丙烯酰胺水凝膠電解質(zhì)不僅為空氣電極發(fā)生的氧還原反應(yīng)提供了必要的水，而且研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用含氯金屬鹽(氯化鋰、氯化鈉)的水凝膠時(shí)，鎂空氣電池的放電產(chǎn)物為具有獨(dú)特針狀結(jié)構(gòu)的Mg2Cl(OH)3，而不是文獻(xiàn)中通常報(bào)道的致密的氫氧化鎂。
展開(kāi) 充電后的液體可以采用跟航空燃油相似的方式進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)液體快速重新加注，而不是在飛行間隔中采用較為緩慢的電池充電方式。飛機(jī)油箱可以是任意尺寸和形狀。液體安全、不易燃，可用于冷卻電池和電機(jī)。
液流電池并不是新鮮事物，但此前由于泵送液體的能量儲(chǔ)存材料溶解量受到限制，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的電池能量密度較低。Influit公司表示，通過(guò)表面處理可以使納米粒子濃度達(dá)到80％。NEF電池的活性材料比例可以達(dá)到65％，相較而言，固體鋰離子電池的活性材料只有35％。
在納米電燃料液流電池中，懸浮在液體電解質(zhì)中的活性納米顆粒從油箱輸送、流經(jīng)離子交換膜實(shí)現(xiàn)發(fā)電。
短期來(lái)看，NEF電池的能量密度比鋰離子電池高1.5倍以上。今年6月，NASA電氣工程師Kurt Papathakis在亞特蘭大舉行的2018年美國(guó)航空航天航空學(xué)會(huì)年會(huì)上介紹了Aquifer項(xiàng)目，大致描繪了項(xiàng)目的技術(shù)路線圖。通過(guò)該路線圖，NEF電池的能量密度將達(dá)到鋰離子電池組的兩倍以上。
目前，NEF液流電池原理樣件的電流密度水平為每平方厘米若干毫安（mA）級(jí)。如果獲得資助，NASA的研究成果將在2020財(cái)年提供第一代NEF技術(shù)，其電流密度達(dá)到100mA/cm2，系統(tǒng)級(jí)比能量達(dá)到125Wh/kg或350Wh/L，性能優(yōu)于鋰離子電池。
隨著工業(yè)成本分?jǐn)偅磥?lái)的電流密度水平將升至200mA/cm2，比能量為530Wh/kg，達(dá)到鋰離子電池的兩倍。
展開(kāi) 據(jù)汽車新聞網(wǎng)站Left Lane News報(bào)道，本田一科學(xué)家團(tuán)隊(duì)表示已經(jīng)研發(fā)出了一種新型電池技術(shù)，能量密度是鋰離子電池技術(shù)的10倍以上，今后新技術(shù)可以代替鋰離子電池，成為電動(dòng)汽車能量來(lái)源的新選擇。
本田研究所（Honda Research）、加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）與NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Lab）的科學(xué)家們周四宣布，他們研發(fā)出了一種更為溫度穩(wěn)定型的氟化物離子（fluoride-ion）電池技術(shù)。新技術(shù)生產(chǎn)的電池不僅是當(dāng)前鋰離子電池能量密度的10倍以上，而且它還可以更好的適應(yīng)環(huán)境。
氟化物離子電池技術(shù)其實(shí)并不是新技術(shù)，但是本田及其合作伙伴研發(fā)出了該技術(shù)的一種更為穩(wěn)定版本。先前的氟化物離子電池技術(shù)的運(yùn)行溫度需要超過(guò)300度；而本田研發(fā)的氟化物離子電池技術(shù)在室溫條件下即可有效運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，技術(shù)所需的原料可以從土地中直接提取，環(huán)境影響非常小。
本田研究所首席科學(xué)家克里斯托夫·布魯克斯博士（Dr. Christopher Brooks）表示：“氟化物離子電池技術(shù)提供了一種前景可觀的全新電池化學(xué)技術(shù)，其能量密度要比現(xiàn)有鋰離子電池高10倍之多。與鋰離子電池相比，氟化物離子電池并不用擔(dān)心過(guò)熱的問(wèn)題，對(duì)原料提取也沒(méi)有太多的要求，與鋰和鈷等電池原料的獲取相比，其環(huán)境影響非常的小。”
雖然技術(shù)還需要繼續(xù)改進(jìn)，但是本田認(rèn)為氟化物離子電池技術(shù)將是未來(lái)技術(shù)，可以應(yīng)用于電動(dòng)汽車以及其他更小的能源產(chǎn)品。
來(lái)源：網(wǎng)易汽車
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電池能量密度的最新內(nèi)容
在充放電循環(huán)中，動(dòng)力電池內(nèi)部高能量密度的上升往往伴隨巨量熱流的產(chǎn)生。若無(wú)法及時(shí)耗散熱量，局部熱點(diǎn)的積聚不僅會(huì)加速電池老化，在極端工況下更易引發(fā)熱失控（Thermal Runaway），導(dǎo)致電池起火乃至爆炸的災(zāi)難性后果。因此，構(gòu)建高效、安全的熱管理系統(tǒng)是突破產(chǎn)業(yè)瓶頸的核心任務(wù)。
傳統(tǒng)的空氣冷卻與間接式液冷存在接觸熱阻大、溫度一致性差等物理局限。
鋰離子電池具有高能量密度，每單位體積可存儲(chǔ)大量能量。燃料電池是另一種儲(chǔ)能方法。
電池包還包含電池管理系統(tǒng)（BMS），可提供防止過(guò)度充電或放電的策略，以確保電池的安全運(yùn)行。
車載充電器：車載充電器將來(lái)自外部充電電源（電網(wǎng)）的交流電（AC）電源轉(zhuǎn)換為直流（DC）電源，存儲(chǔ)在電池中。車載充電器能夠與車輛控制單元和外部充電站通信，以便為供電穩(wěn)壓。
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仿真技術(shù)為產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來(lái)的
電池安全設(shè)計(jì)保駕護(hù)航
隨著新能源技術(shù)和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)在高能量密度、高倍率充放電等方面持續(xù)升級(jí)，與之俱來(lái)的電池?zé)崾Э責(zé)崧语L(fēng)險(xiǎn)日益凸顯，工程仿真在電池安全設(shè)計(jì)中的作用也愈發(fā)重要。如何精準(zhǔn)預(yù)測(cè)并有效抑制熱失控，成為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈亟需解決的核心難題。
鋰電池隔膜如何保障安全“命門”？10個(gè)月前
三、總結(jié)
GB/T 36363標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)上述檢測(cè)項(xiàng)目全面評(píng)估隔膜的物理性能，確保其滿足鋰電池高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命及安全性的要求。實(shí)際測(cè)試需在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境（如23±2℃、50±5%RH）下進(jìn)行，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄的詳細(xì)方法操作。對(duì)于企業(yè)質(zhì)量控制，建議配置符合標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試儀器綜合驗(yàn)證隔膜適用性能。
近些年為了進(jìn)一步提高電池能量密度，增加續(xù)航，汽車業(yè)采用了更激進(jìn)的方案。
將三級(jí)拼裝簡(jiǎn)化為二級(jí)，電芯直接集成為電池包，即Cell To Pack的設(shè)計(jì)。
這種設(shè)計(jì)可進(jìn)一步將電池包能量密度提高10%-15%，但很顯然也對(duì)電芯的良品率、一致性提出更高要求。
原因很簡(jiǎn)單：壞一個(gè)電芯，很可能就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池包報(bào)廢。
隨著電池能量密度、快充功率要求越來(lái)越高，冷媒直冷以其自身具有的體積重量、制冷速度和性能等優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)普及到更多車型。
圖1 比亞迪海鷗（圖源水印）
冷媒直冷的特點(diǎn)
相比于更為成熟的風(fēng)冷、液冷，直冷冷卻有許多自身特有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，是汽車/電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)人員所需要注意的問(wèn)題。
隨著電池能量密度、快充功率要求越來(lái)越高，冷媒直冷以其自身具有的體積重量、制冷速度和性能等優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)普及到更多車型。
圖1 比亞迪海鷗（圖源水印）
冷媒直冷的特點(diǎn)
相比于更為成熟的風(fēng)冷、液冷，直冷冷卻有許多自身特有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，是汽車/電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)人員所需要注意的問(wèn)題。
同時(shí)，固態(tài)電池可使用鋰金屬作為負(fù)極以提高電池的能量密度，目前液態(tài)鋰電池能量密度的天花板是300Wh/kg，而固態(tài)鋰電池的理論能量密度是700Wh/kg，是液態(tài)鋰電池的2倍以上，更適用于eVTOL。
C = εε0 S / d，
鋰電池能量密度和電壓高，使用壽命長(zhǎng)，自放電低，可在市場(chǎng)上買到并得到廣泛應(yīng)用。該車使用鋰離子電池，該電池電阻低，能夠在幾秒鐘內(nèi)提供數(shù)百安培的電流。該電池由高效、高能量的圓柱形電池組成，具有 NMC（鎳錳鈷）型鋰離子 （Li-ion） 化學(xué)成分，具有石墨陽(yáng)極和鋰鈷陰極。
電池由 16 個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊的標(biāo)稱電壓為 25 V。
鉛酸電池能量密度低，大約只有鋰離子電池的四分之一，故較為笨重。但勝在便宜，市占率超過(guò)八成，絕對(duì)的主流。
從安全角度看。根據(jù)國(guó)家消防救援局公布的7月統(tǒng)計(jì)報(bào)告，在電動(dòng)自行車引起的火災(zāi)中，鋰離子電池有622起，占比82.1%。
總結(jié)：鋰離子電池以不足兩成的市占率，“貢獻(xiàn)”了全國(guó)超八成的電動(dòng)自行車火災(zāi)。
三、鋰離子電池為何不安全？
