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夏普研发出卫星用可弯曲超薄光伏电池

智能科技类 不倒的铁娘子 2017-01-04 10:18 发表了文章 来自相关话题

夏普和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合开发了可供人造卫星和宇宙飞船使用的轻薄光伏电池。重量仅为传统光伏电池的1/7左右,同时发电效率也更高。使用这种电池有助于实现卫星轻量化,使用小型廉价火箭就能进行发射。最早将于12月在太空验证其发电能力和耐久性,并积极推动日本国内外的卫星制造企业使用该电池。


光伏电池约 查看全部
夏普和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合开发了可供人造卫星和宇宙飞船使用的轻薄光伏电池。重量仅为传统光伏电池的1/7左右,同时发电效率也更高。使用这种电池有助于实现卫星轻量化,使用小型廉价火箭就能进行发射。最早将于12月在太空验证其发电能力和耐久性,并积极推动日本国内外的卫星制造企业使用该电池。


光伏电池约
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锌空气电池

电气控制类 陈园园 2016-12-07 16:04 发表了文章 来自相关话题

锌空气电池(zinc air battery),用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质,以锌为负极,以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池,分别用字母A和P表示,其后再用数字表示电池的型号。
 
    充电过程
 
    锌空气电池的充电过程进行得十分缓慢 查看全部
锌空气电池(zinc air battery),用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质,以锌为负极,以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池,分别用字母A和P表示,其后再用数字表示电池的型号。
 
    充电过程
 
    锌空气电池的充电过程进行得十分缓慢
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电池变革,这12款新型电池值得关注

机械自动化类 星旭自动化 2016-11-16 18:55 发表了文章 来自相关话题

电池是将化学反应产生的能量直接转换为电能的一种装作。具有稳定电压,稳定电流,长时间稳定供电,受外界影响很小,并且结构简单,携带方便,充放电操作简便易行,性能稳定可靠的特点,给现代社会生活带来很多便利。

1800 年,意大利科学家伏打(Volta)将不同的金属与电解液接触做成Volta堆,被认为是人类历史上第一套电源 查看全部
电池是将化学反应产生的能量直接转换为电能的一种装作。具有稳定电压,稳定电流,长时间稳定供电,受外界影响很小,并且结构简单,携带方便,充放电操作简便易行,性能稳定可靠的特点,给现代社会生活带来很多便利。

1800 年,意大利科学家伏打(Volta)将不同的金属与电解液接触做成Volta堆,被认为是人类历史上第一套电源
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干货:这才是保证电池安全靠谱的快充技术正确打开方式

机械自动化类 金玉兰 2016-09-24 09:23 发表了文章 来自相关话题

关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者进行一下基本科普,满足大家对快充的许多疑问。

编者:近年来,关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者发现对于快充的剖析、科普文章一直比较少,很多人对快充有着许多的疑问。在本文中 查看全部
关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者进行一下基本科普,满足大家对快充的许多疑问。

编者:近年来,关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者发现对于快充的剖析、科普文章一直比较少,很多人对快充有着许多的疑问。在本文中
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废旧动力电池也是宝

智能制造类 无国界 2016-08-18 15:57 发表了文章 来自相关话题

  预测,到2020年,全球废旧锂电池的数量约为250亿只,重量达50万吨。
  那些不能被电动汽车继续使用的电池,还可以按照电池容量的不同被运用到储能系统以及路灯、低速电动车、电动自行车等身上,最后进入回收体系,这被称为动力电池的梯次利用与再生回收。
  在6月20-21日中国电动汽车百人会与青海省人民政府、科学技 查看全部
  预测,到2020年,全球废旧锂电池的数量约为250亿只,重量达50万吨。
  那些不能被电动汽车继续使用的电池,还可以按照电池容量的不同被运用到储能系统以及路灯、低速电动车、电动自行车等身上,最后进入回收体系,这被称为动力电池的梯次利用与再生回收。
  在6月20-21日中国电动汽车百人会与青海省人民政府、科学技
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BMS需求超百亿,你必须了解的核心技术和市场潜力!

机械自动化类 功夫熊猫 2016-07-15 13:12 发表了文章 来自相关话题

BMS的市场增量主要来自两方面,对汽车用BMS的需求在很长一段时间将是增量市场,再就是以往以铅酸电池为动力的低速电动车市场。
最近有投资机构在向本人询问BMS投资这块的问题,处于风口上的BMS专业厂家科列技术更是在新三板的估值超过30亿元,资本市场对其关注度只增不减。在此本人查阅了一些资料,以及对市场的预测,对BMS 查看全部
BMS的市场增量主要来自两方面,对汽车用BMS的需求在很长一段时间将是增量市场,再就是以往以铅酸电池为动力的低速电动车市场。
最近有投资机构在向本人询问BMS投资这块的问题,处于风口上的BMS专业厂家科列技术更是在新三板的估值超过30亿元,资本市场对其关注度只增不减。在此本人查阅了一些资料,以及对市场的预测,对BMS
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电动车如果要存放较长时间应该怎样对电池进行处理?

机械自动化类 yuquanyou 2016-05-13 17:35 回复了问题 • 2 人关注 来自相关话题 产生赞赏:¥5.00

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比亚迪的电池到底有多牛逼?

机械自动化类 yuquanyou 2016-05-13 17:33 回复了问题 • 2 人关注 来自相关话题

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夏普研发出卫星用可弯曲超薄光伏电池

智能科技类 不倒的铁娘子 2017-01-04 10:18 发表了文章 来自相关话题

夏普和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合开发了可供人造卫星和宇宙飞船使用的轻薄光伏电池。重量仅为传统光伏电池的1/7左右,同时发电效率也更高。使用这种电池有助于实现卫星轻量化,使用小型廉价火箭就能进行发射。最早将于12月在太空验证其发电能力和耐久性,并积极推动日本国内外的卫星制造企业使用该电池。





光伏电池约占卫星重量的10%。新开发出的电池厚度仅为0.3毫米,采用将薄膜电池夹在树脂胶片中固定的形式。据称该电池发电效率约为32%,达到全球卫星用光伏电池的最高水平。由于该电池非常轻薄且可以弯曲,能够贴在卫星机体的曲面等此前难以安装电池的位置。通过扩大电池面积、增大发电量,可以增加卫星上搭载的观测器,从而实现提高卫星性能。

JAXA将在为宇宙空间站输送物资的无人飞船上设置这种新型电池,预计将于12月进行发射。除了要检测新型电池能否经受火箭发射时的强烈震动外,还会将其暴露在太空中3个月左右,验证电池能否按照预期进行发电。
 
据美国卫星产业协会数据,2015年卫星相关产业的市场规模达到2080亿美元,较2010年增加了20%。今后,伴随小型卫星发射数量的增加,用于太空的光伏电池的需求量也将会扩大。
 
 
 
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夏普和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合开发了可供人造卫星和宇宙飞船使用的轻薄光伏电池。重量仅为传统光伏电池的1/7左右,同时发电效率也更高。使用这种电池有助于实现卫星轻量化,使用小型廉价火箭就能进行发射。最早将于12月在太空验证其发电能力和耐久性,并积极推动日本国内外的卫星制造企业使用该电池。

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光伏电池约占卫星重量的10%。新开发出的电池厚度仅为0.3毫米,采用将薄膜电池夹在树脂胶片中固定的形式。据称该电池发电效率约为32%,达到全球卫星用光伏电池的最高水平。由于该电池非常轻薄且可以弯曲,能够贴在卫星机体的曲面等此前难以安装电池的位置。通过扩大电池面积、增大发电量,可以增加卫星上搭载的观测器,从而实现提高卫星性能。

JAXA将在为宇宙空间站输送物资的无人飞船上设置这种新型电池,预计将于12月进行发射。除了要检测新型电池能否经受火箭发射时的强烈震动外,还会将其暴露在太空中3个月左右,验证电池能否按照预期进行发电。
 
据美国卫星产业协会数据,2015年卫星相关产业的市场规模达到2080亿美元,较2010年增加了20%。今后,伴随小型卫星发射数量的增加,用于太空的光伏电池的需求量也将会扩大。
 
 
 
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锌空气电池

电气控制类 陈园园 2016-12-07 16:04 发表了文章 来自相关话题

锌空气电池(zinc air battery),用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质,以锌为负极,以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池,分别用字母A和P表示,其后再用数字表示电池的型号。
 
    充电过程
 
    锌空气电池的充电过程进行得十分缓慢,为解决这一问题,通常锌空气电池的负极锌板或锌粒,被氧化成氧化锌而失效后,一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法,使锌空气电池得到完全更新。
 
    电池构成
 
    糊状的锌粉在阳极端,起催化作用的碳在阴极。电池壳体上的孔可让空气中的氧进入腔体附着在阴极的碳上。同时,阳极的锌被氧化,这与小型银氧或汞氧电池的化学反应类似。
 
    阴极——是起催化作用的碳从空气中吸收氧。
 
    阳极——是锌粉和电解液的混合物,成糊状。
 
    电解液——高浓度的氢氧化钾水溶液。
 
    隔离层——用于隔离两级间固体粉粒的移动。
 
    绝缘和密封衬垫——尼龙材料。
 
    电池外表面——镍金属外壳,具有良好的防腐性的导体
 
    电池类型
 
    主要有4种类型。①中性锌空气电池:结构与锌锰圆筒形电池的类同,也采用氯化铵与氯化锌为电解质,只是在炭包中以活性炭代替了二氧化锰,并在盖上或周围留有通气孔,在使用时打开;②纽扣式锌空气电池:结构与锌银扣式电池基本相同,但在正极外壳上留有小孔,使用时可打开;③低功率大荷电量的锌空气湿电池:将烧结或粘接式活性炭电极和板状锌电极组合成电极组浸入盛有氢氧化钠溶液的容器中(见图);④高功率锌空气电池:一般是将薄片状粘结式活性炭电极装在电池外壁上,将锌粉电极装在电池中间,两者之间用吸液的隔膜隔离,上口装有注液塞。使用时注入氢氧化钾溶液。这种电池便于携带。低功率锌空气湿电池和高功率锌空气电池属于临时激活型,活性炭电极能反复使用,因而电池在耗尽电荷量以后,只要更换锌电极和碱液,就可重复使用。
 
 
    电池原理
 
    阳极:Zn+2OH–→ZnO+H2O+2e–
 
    阴极:O2+2H2O+4e–→4OH–
 
    综合:2Zn+O2→2ZnO
 
    通常这种反映产生的电压是1.4伏,但放电电流和放电深度可引起电压变化。空气必须能不间断地进入到阴极,在阴极壳体上开有小孔以便氧气源源不断地进入才能使电池产生化学反应。
 
    电池使用
 
    锌空电池保存的关键在封条,除非电池准备立刻使用,否则不能取下电池阴极封条。模拟试验表明,在室温条件下,存放一年后电量下降到95%,存放两年后电量下降到90%,存放四年后电量仍有85%。撕下封条后,电池被激活并开始工作,在室温环境并不接负载时,根据不同的电池大小规格,3到12周后电池电量下降50%,超过20周电量下降到0-10%。因此锌空电池适用于在很少几周内耗用完电池的场合。如果一旦锌空电池的封条被撕下,空气就进入内部激活电化学反应,此时即使再贴上封条,电化学反应也会继续下去直到电量耗尽。
 
    代替炭包
 
    1878年法国的L.梅谢在锌锰电池中用含铂的多孔性炭电极代替二氧化锰炭包,开发了锌空气干电池的技术。1917年法国人C.费里用活性炭代替铂,以吸收氧,达到了锌空气电池的实用化。1932年G.W.海泽与E.A.舒梅赫尔又发表了采用碱性电解液的锌空气电池。60年代由于对宇航用常温燃料电池的氧电极的研究得到了很大的成功,大功率锌空气电池的开发才达到了实际应用阶段。70年代中期又发展了微型纽扣式锌空气电池。锌空气电池由于利用大气中的氧作为正极活性物质,具有很高的社会和经济效益。
 
    空气电池
 
    原理 锌空气电池的电化学反应如下:
 
    在中性溶液中:2Zn+4NH4Cl+O2→2Zn(NH3)2Cl2+2H2O
 
    在碱性溶液中:2Zn+2NaOH+O2→2NaHZnO2
 
    性能特征和用途 锌空气电池的电压为1.4V左右,放电电流受活性炭电极吸附氧及扩散速度的制约。每一型号的电池有其最佳使用电流值,超过极限值时活性炭电极会迅速劣化。电池的荷电量一般比同体积的锌锰电池大3倍以上。大型锌空气电池的电荷量一般在500~2000Ah,主要用于铁路和航海灯标装置上。纽扣形锌空气电池的电荷量在200~400mAh,已广泛用于助听器中。
 
    漏液处理
 
    锌空电池内部含有高浓度的电解质(氢氧化钾,具有强碱性,强腐蚀性),一旦发生渗漏,将腐蚀电池附近部件,而且这种腐蚀可能是不可修复的,致命的。而且电池上有孔,电池在激活使用后存放时间又很短,所以锌空电池较易发生电池漏液。使用锌空电池的场合要及时更换耗尽的电池,经常检查电池状况,较长时间不用时取出电池。 查看全部

锌空气电池(zinc air battery),用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质,以锌为负极,以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池,分别用字母A和P表示,其后再用数字表示电池的型号。
 
    充电过程
 
    锌空气电池的充电过程进行得十分缓慢,为解决这一问题,通常锌空气电池的负极锌板或锌粒,被氧化成氧化锌而失效后,一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法,使锌空气电池得到完全更新。
 
    电池构成
 
    糊状的锌粉在阳极端,起催化作用的碳在阴极。电池壳体上的孔可让空气中的氧进入腔体附着在阴极的碳上。同时,阳极的锌被氧化,这与小型银氧或汞氧电池的化学反应类似。
 
    阴极——是起催化作用的碳从空气中吸收氧。
 
    阳极——是锌粉和电解液的混合物,成糊状。
 
    电解液——高浓度的氢氧化钾水溶液。
 
    隔离层——用于隔离两级间固体粉粒的移动。
 
    绝缘和密封衬垫——尼龙材料。
 
    电池外表面——镍金属外壳,具有良好的防腐性的导体
 
    电池类型
 
    主要有4种类型。①中性锌空气电池:结构与锌锰圆筒形电池的类同,也采用氯化铵与氯化锌为电解质,只是在炭包中以活性炭代替了二氧化锰,并在盖上或周围留有通气孔,在使用时打开;②纽扣式锌空气电池:结构与锌银扣式电池基本相同,但在正极外壳上留有小孔,使用时可打开;③低功率大荷电量的锌空气湿电池:将烧结或粘接式活性炭电极和板状锌电极组合成电极组浸入盛有氢氧化钠溶液的容器中(见图);④高功率锌空气电池:一般是将薄片状粘结式活性炭电极装在电池外壁上,将锌粉电极装在电池中间,两者之间用吸液的隔膜隔离,上口装有注液塞。使用时注入氢氧化钾溶液。这种电池便于携带。低功率锌空气湿电池和高功率锌空气电池属于临时激活型,活性炭电极能反复使用,因而电池在耗尽电荷量以后,只要更换锌电极和碱液,就可重复使用。
 
 
    电池原理
 
    阳极:Zn+2OH–→ZnO+H2O+2e–
 
    阴极:O2+2H2O+4e–→4OH–
 
    综合:2Zn+O2→2ZnO
 
    通常这种反映产生的电压是1.4伏,但放电电流和放电深度可引起电压变化。空气必须能不间断地进入到阴极,在阴极壳体上开有小孔以便氧气源源不断地进入才能使电池产生化学反应。
 
    电池使用
 
    锌空电池保存的关键在封条,除非电池准备立刻使用,否则不能取下电池阴极封条。模拟试验表明,在室温条件下,存放一年后电量下降到95%,存放两年后电量下降到90%,存放四年后电量仍有85%。撕下封条后,电池被激活并开始工作,在室温环境并不接负载时,根据不同的电池大小规格,3到12周后电池电量下降50%,超过20周电量下降到0-10%。因此锌空电池适用于在很少几周内耗用完电池的场合。如果一旦锌空电池的封条被撕下,空气就进入内部激活电化学反应,此时即使再贴上封条,电化学反应也会继续下去直到电量耗尽。
 
    代替炭包
 
    1878年法国的L.梅谢在锌锰电池中用含铂的多孔性炭电极代替二氧化锰炭包,开发了锌空气干电池的技术。1917年法国人C.费里用活性炭代替铂,以吸收氧,达到了锌空气电池的实用化。1932年G.W.海泽与E.A.舒梅赫尔又发表了采用碱性电解液的锌空气电池。60年代由于对宇航用常温燃料电池的氧电极的研究得到了很大的成功,大功率锌空气电池的开发才达到了实际应用阶段。70年代中期又发展了微型纽扣式锌空气电池。锌空气电池由于利用大气中的氧作为正极活性物质,具有很高的社会和经济效益。
 
    空气电池
 
    原理 锌空气电池的电化学反应如下:
 
    在中性溶液中:2Zn+4NH4Cl+O2→2Zn(NH3)2Cl2+2H2O
 
    在碱性溶液中:2Zn+2NaOH+O2→2NaHZnO2
 
    性能特征和用途 锌空气电池的电压为1.4V左右,放电电流受活性炭电极吸附氧及扩散速度的制约。每一型号的电池有其最佳使用电流值,超过极限值时活性炭电极会迅速劣化。电池的荷电量一般比同体积的锌锰电池大3倍以上。大型锌空气电池的电荷量一般在500~2000Ah,主要用于铁路和航海灯标装置上。纽扣形锌空气电池的电荷量在200~400mAh,已广泛用于助听器中。
 
    漏液处理
 
    锌空电池内部含有高浓度的电解质(氢氧化钾,具有强碱性,强腐蚀性),一旦发生渗漏,将腐蚀电池附近部件,而且这种腐蚀可能是不可修复的,致命的。而且电池上有孔,电池在激活使用后存放时间又很短,所以锌空电池较易发生电池漏液。使用锌空电池的场合要及时更换耗尽的电池,经常检查电池状况,较长时间不用时取出电池。
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电池变革,这12款新型电池值得关注

机械自动化类 星旭自动化 2016-11-16 18:55 发表了文章 来自相关话题

电池是将化学反应产生的能量直接转换为电能的一种装作。具有稳定电压,稳定电流,长时间稳定供电,受外界影响很小,并且结构简单,携带方便,充放电操作简便易行,性能稳定可靠的特点,给现代社会生活带来很多便利。

1800 年,意大利科学家伏打(Volta)将不同的金属与电解液接触做成Volta堆,被认为是人类历史上第一套电源装置。人类先后发明了铅酸蓄电池、以NH4Cl为电解液的锌—二氧化锰干电池、镉-镍电池、铁-镍蓄、碱性锌锰电池和锂离子电池等。

随着三星Note 7爆炸的话题不断发酵,电池这一曾经的幕后功臣又重新成了我们关注的焦点。不免让许多人担心,我们是不是要与性能接近极限的锂电池为伍很久很久?答案当然是否定的。其实我们还有很多新型电池正在蓄势待发打破格局。下面我们就来共同盘点一下新型电池技术。






1、国产超级电池亮相

近日,极致动力科技(天津)有限公司展示了一种续航与充电能力都堪称“恐怖”的超级电池,充满一次电仅需3-5分钟。







从配图中我们看到,电池采用圆柱形设计,整齐的拍成一排,这种设计保证了每一颗电池中间都留有缝隙,便于散热。

极致动力董事长魏喆介绍说,这种超级电池主要应用在大巴车以及码头吊取集装箱的吊车上,一辆电动大巴车需要297颗电池。

他表示,“我们这种电池属于镍氢电池,虽然在体积和重量上做不到锂电池那么轻薄,但是在安全性和充电能力方面,绝对要大大优于锂电池。”

据了解,在常温20-40℃的情况下,超级电池充电一次只要3-5分钟,寿命为5-8年。在油电混合大巴车上时,每当车辆刹车,超级电池可以回收能源,也就是可以自动完成充电。据估算,使用超级电池后,一辆油电混合大巴车的节油率可以达到40%左右。

此外,电池安全性也比锂电池更好,超级电池已经经过针刺、挤压、高温、坠落等一系列实验,不会像锂电池那样容易爆炸。

2、本田商用镁电池来了

近日,本田汽车与一支研发团队携手合作,开发出世界上第一块可以实际应用的镁充电电池。据了解,镁的成本比锂低了96%,除此之外,续航时间更长,日本媒体报道称,新电池可能会成为颠覆性产品,安装新电池之后,智能手机及其它设备充电一次可以续航更长时间。






据报道,领导此次研发活动的是日本埼玉县工业技术中心(Saitama Industrial Technology Center,简称Saitec),本田研发团队在和光市评估了电池的可行性。开发者预计镁电池最开始时会在智能手机、其它便携设备中商用。镁电池开发者希望能在2018年之前销售产品。本田汽车和Saitec团队将会在下个月的千叶(靠近日本东京)科学会议上展示电池。

据了解,研究人员镁用在可充电电池遇到了同样的困难,在充电放电、放电充电的过程中,镁的充电性能会快速退化,基于此,研究人员开发了一种新材料氧化钒,将它涂在正极,这样一来,离子在氧化钒和镁负极之间流动就会更容易一些。氧化钒可以增加镁的充电次数,防止衰退。为了提高安全性,研究人员添加了一种有机物质,它可以降低镁电池起火的风险。

3、锂硫电池

近日,日本产业技术综合研究所宣布,其与筑波大学共同开发出了一种锂硫电池,通过采用金属有机骨架作为电池隔膜,实现了长期稳定的充放电循环特性。据介绍,在1C的电流密度(恒流放电1小时后结束放电时的电流值)下进行 1500次循环测试之后,这种锂硫电池仍可保持高达900mAh/g的充电容量。

采用硫作为锂电池正极的锂硫电池具有正极容量高(理论值为1675mAh/g)的特点,作为新一代蓄电池备受期待。在2008年太阳能飞机首航时,就使用了锂硫电池,白天时,太阳能飞机上的光伏发电板仅为飞行提供能力,而且为其锂硫电池充电,以维持晚上飞行所需的动力。

4、固态锂电池

固态锂电池与普通锂离子电池的主要区别在于它将传统的有机电解液替换成固态电解质。采用有机电解液的传统锂离子充电电池,因有过度充电、内部短路等异常时可能导致电解液发热,有自燃甚至爆炸的危险。采用固态电解质的固态锂电池,不仅在安全性上大大提高,在使用寿命和能量密度上都有了很大的改善。

由于固态锂电池内部不含液体,消除了任何液体泄漏的问题,在体积和重量上较之传统锂电池也有所降低,同时适应能力更强,这些优势十分有利于固态锂电池在 储能和新能源汽车领域上展开应用。目前科研界以及工业界都在研发以及生产固态锂电池,并将其视为最有潜力的新一代电池产品。

5、新型液流电池

相比常规使用的充电电池,液流电池的规模更大一些,这是因为液流电池的形式和功能不同于常见的锂离子电池。在液流电池单元中,液态电解质在两个容器箱体 中循环流动,而两个箱体通过一个薄膜进行分离。离子穿越薄膜就实现了电荷转移,整个过程与氢燃料电池的发电原理类似。液流电池组较锂离子电池有更高的安全性,即便放置很长一段时间,电能也不会出现流失,因此很适合用来储存太阳能、风能等可再生能源。

美国太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员使用低成本及可持续的合成分子开发了一种全新的有机液流电池,其生产成本比常见的全钒液流电池成本降低了60%左右,这也使新型液流电池在储能领域里的占有巨大的优势。

6、液态金属电池

液态金属电池是通过液态金属的氧化还原反应,把化学能转化成电能。金属呈液态是该电池的特点,利用液体的流动性,液态金属电池具有高倍率充放电性能及电池系统的可放大性,这也使得液态金属电池能满足能量型和功率型双重应用,在大规模储能中有着广阔的应用前景。

来自麻省理工学院的一组研究人员就开发出了一种新型全液态金属电池系统,这种系统造价便宜,且使用寿命较长。据研究团队称,此装置可让风能和太阳能这些可再生能源具备与传统能源相竞争的能力。

7、叶片绿色电池

马里兰大学的一队研究者最近开发了一款廉价的新材料,该材料将在新一代电池上充当负极。在实验中该团队发现,橡树叶被加热到1000摄氏度后,其碳基结构会被瓦解,随后所剩物质中就可容纳电解质。眼下,该团队还在对其他自然材料进行测试,包括泥炭土和香蕉皮等。

8、快充石墨烯电池

众所周知,电池的寿命会随着充放电次数的增加而逐渐缩短,而澳大利亚斯威本科技大学的研发人员就在试图解决这一问题。他们开发出了新型石墨烯电池,这款电池不但拥有超强的快充能力(几秒钟),而且其耐用性也不一般,研发人员开出的使用期限为一辈子。石墨烯材料的运用克服了传统电池所有的缺点,同时这款产品也非常环保,而且造价便宜。

9、用糖做的电池

弗吉尼亚理工学院的团队开发了一款用糖做的电池,其优点是超强的续航能力。研究人员从糖中分离除了麦芽糖精,而它就是这款新型电池的能量来源。麦芽糖精与空气接触后,电池就会释放电子来发电。由于糖便宜且存量大,所以此款新电池成本较低,最重要的是它拥有可降解的特性。

10、充不坏的纳米线电池

这款电池完全是加州大学的研发人员在无意中发现的,它让传统的锂电池变得一无是处。研发人员用黄金制作了纳米线,随后将其与新材料相结合,这对组合让电池的充放次数大幅提高,同时电池性能也不会随充电次数增加而衰减。

11、自毁电池

自毁电池面向的并不是大众市场,但在特殊领域它却能大显身手,而且它也克服了此前一次性电池污染环境的问题。这款电池由爱荷华州立大学开发,主要用于军事用途,用光、热或者液体都能将其引爆。此外,引爆后即使进入了水中,也不会对水体造成污染。

12、可食用的盐水电池

这款电池可是将环保的概念发挥到了极致,为了为自家电池正名,Aquion Energy的威特克里居然真的啃掉一块电池吃了下去(肯定不怎么好吃)。这款电池的部件都由生物衍生材料制成,在变身电池前它们可能是尘土、棉花、碳或盐水。不过,这款电池可不是给移动设备准备的,它要做“大事业”,比如做家庭或公司的备用电源,而为其提供电能的则是环保的风能或太阳能。

小结

由于锂离子电池在效用上也存在着较大的限制瓶颈,比如在能量密度、安全以及成本等方面。相信随着新技术的发展,未来新型电池将会不断与锂离子电池争夺市场。当然,新旧电池的市场争夺战可能还需要一段时间,但未来,新电池技术将以更低的成本带来更安全的使用体验。
 
 
 
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电池是将化学反应产生的能量直接转换为电能的一种装作。具有稳定电压,稳定电流,长时间稳定供电,受外界影响很小,并且结构简单,携带方便,充放电操作简便易行,性能稳定可靠的特点,给现代社会生活带来很多便利。

1800 年,意大利科学家伏打(Volta)将不同的金属与电解液接触做成Volta堆,被认为是人类历史上第一套电源装置。人类先后发明了铅酸蓄电池、以NH4Cl为电解液的锌—二氧化锰干电池、镉-镍电池、铁-镍蓄、碱性锌锰电池和锂离子电池等。

随着三星Note 7爆炸的话题不断发酵,电池这一曾经的幕后功臣又重新成了我们关注的焦点。不免让许多人担心,我们是不是要与性能接近极限的锂电池为伍很久很久?答案当然是否定的。其实我们还有很多新型电池正在蓄势待发打破格局。下面我们就来共同盘点一下新型电池技术。

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1、国产超级电池亮相

近日,极致动力科技(天津)有限公司展示了一种续航与充电能力都堪称“恐怖”的超级电池,充满一次电仅需3-5分钟。

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从配图中我们看到,电池采用圆柱形设计,整齐的拍成一排,这种设计保证了每一颗电池中间都留有缝隙,便于散热。

极致动力董事长魏喆介绍说,这种超级电池主要应用在大巴车以及码头吊取集装箱的吊车上,一辆电动大巴车需要297颗电池。

他表示,“我们这种电池属于镍氢电池,虽然在体积和重量上做不到锂电池那么轻薄,但是在安全性和充电能力方面,绝对要大大优于锂电池。”

据了解,在常温20-40℃的情况下,超级电池充电一次只要3-5分钟,寿命为5-8年。在油电混合大巴车上时,每当车辆刹车,超级电池可以回收能源,也就是可以自动完成充电。据估算,使用超级电池后,一辆油电混合大巴车的节油率可以达到40%左右。

此外,电池安全性也比锂电池更好,超级电池已经经过针刺、挤压、高温、坠落等一系列实验,不会像锂电池那样容易爆炸。

2、本田商用镁电池来了

近日,本田汽车与一支研发团队携手合作,开发出世界上第一块可以实际应用的镁充电电池。据了解,镁的成本比锂低了96%,除此之外,续航时间更长,日本媒体报道称,新电池可能会成为颠覆性产品,安装新电池之后,智能手机及其它设备充电一次可以续航更长时间。

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据报道,领导此次研发活动的是日本埼玉县工业技术中心(Saitama Industrial Technology Center,简称Saitec),本田研发团队在和光市评估了电池的可行性。开发者预计镁电池最开始时会在智能手机、其它便携设备中商用。镁电池开发者希望能在2018年之前销售产品。本田汽车和Saitec团队将会在下个月的千叶(靠近日本东京)科学会议上展示电池。

据了解,研究人员镁用在可充电电池遇到了同样的困难,在充电放电、放电充电的过程中,镁的充电性能会快速退化,基于此,研究人员开发了一种新材料氧化钒,将它涂在正极,这样一来,离子在氧化钒和镁负极之间流动就会更容易一些。氧化钒可以增加镁的充电次数,防止衰退。为了提高安全性,研究人员添加了一种有机物质,它可以降低镁电池起火的风险。

3、锂硫电池

近日,日本产业技术综合研究所宣布,其与筑波大学共同开发出了一种锂硫电池,通过采用金属有机骨架作为电池隔膜,实现了长期稳定的充放电循环特性。据介绍,在1C的电流密度(恒流放电1小时后结束放电时的电流值)下进行 1500次循环测试之后,这种锂硫电池仍可保持高达900mAh/g的充电容量。

采用硫作为锂电池正极的锂硫电池具有正极容量高(理论值为1675mAh/g)的特点,作为新一代蓄电池备受期待。在2008年太阳能飞机首航时,就使用了锂硫电池,白天时,太阳能飞机上的光伏发电板仅为飞行提供能力,而且为其锂硫电池充电,以维持晚上飞行所需的动力。

4、固态锂电池

固态锂电池与普通锂离子电池的主要区别在于它将传统的有机电解液替换成固态电解质。采用有机电解液的传统锂离子充电电池,因有过度充电、内部短路等异常时可能导致电解液发热,有自燃甚至爆炸的危险。采用固态电解质的固态锂电池,不仅在安全性上大大提高,在使用寿命和能量密度上都有了很大的改善。

由于固态锂电池内部不含液体,消除了任何液体泄漏的问题,在体积和重量上较之传统锂电池也有所降低,同时适应能力更强,这些优势十分有利于固态锂电池在 储能和新能源汽车领域上展开应用。目前科研界以及工业界都在研发以及生产固态锂电池,并将其视为最有潜力的新一代电池产品。

5、新型液流电池

相比常规使用的充电电池,液流电池的规模更大一些,这是因为液流电池的形式和功能不同于常见的锂离子电池。在液流电池单元中,液态电解质在两个容器箱体 中循环流动,而两个箱体通过一个薄膜进行分离。离子穿越薄膜就实现了电荷转移,整个过程与氢燃料电池的发电原理类似。液流电池组较锂离子电池有更高的安全性,即便放置很长一段时间,电能也不会出现流失,因此很适合用来储存太阳能、风能等可再生能源。

美国太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员使用低成本及可持续的合成分子开发了一种全新的有机液流电池,其生产成本比常见的全钒液流电池成本降低了60%左右,这也使新型液流电池在储能领域里的占有巨大的优势。

6、液态金属电池

液态金属电池是通过液态金属的氧化还原反应,把化学能转化成电能。金属呈液态是该电池的特点,利用液体的流动性,液态金属电池具有高倍率充放电性能及电池系统的可放大性,这也使得液态金属电池能满足能量型和功率型双重应用,在大规模储能中有着广阔的应用前景。

来自麻省理工学院的一组研究人员就开发出了一种新型全液态金属电池系统,这种系统造价便宜,且使用寿命较长。据研究团队称,此装置可让风能和太阳能这些可再生能源具备与传统能源相竞争的能力。

7、叶片绿色电池

马里兰大学的一队研究者最近开发了一款廉价的新材料,该材料将在新一代电池上充当负极。在实验中该团队发现,橡树叶被加热到1000摄氏度后,其碳基结构会被瓦解,随后所剩物质中就可容纳电解质。眼下,该团队还在对其他自然材料进行测试,包括泥炭土和香蕉皮等。

8、快充石墨烯电池

众所周知,电池的寿命会随着充放电次数的增加而逐渐缩短,而澳大利亚斯威本科技大学的研发人员就在试图解决这一问题。他们开发出了新型石墨烯电池,这款电池不但拥有超强的快充能力(几秒钟),而且其耐用性也不一般,研发人员开出的使用期限为一辈子。石墨烯材料的运用克服了传统电池所有的缺点,同时这款产品也非常环保,而且造价便宜。

9、用糖做的电池

弗吉尼亚理工学院的团队开发了一款用糖做的电池,其优点是超强的续航能力。研究人员从糖中分离除了麦芽糖精,而它就是这款新型电池的能量来源。麦芽糖精与空气接触后,电池就会释放电子来发电。由于糖便宜且存量大,所以此款新电池成本较低,最重要的是它拥有可降解的特性。

10、充不坏的纳米线电池

这款电池完全是加州大学的研发人员在无意中发现的,它让传统的锂电池变得一无是处。研发人员用黄金制作了纳米线,随后将其与新材料相结合,这对组合让电池的充放次数大幅提高,同时电池性能也不会随充电次数增加而衰减。

11、自毁电池

自毁电池面向的并不是大众市场,但在特殊领域它却能大显身手,而且它也克服了此前一次性电池污染环境的问题。这款电池由爱荷华州立大学开发,主要用于军事用途,用光、热或者液体都能将其引爆。此外,引爆后即使进入了水中,也不会对水体造成污染。

12、可食用的盐水电池

这款电池可是将环保的概念发挥到了极致,为了为自家电池正名,Aquion Energy的威特克里居然真的啃掉一块电池吃了下去(肯定不怎么好吃)。这款电池的部件都由生物衍生材料制成,在变身电池前它们可能是尘土、棉花、碳或盐水。不过,这款电池可不是给移动设备准备的,它要做“大事业”,比如做家庭或公司的备用电源,而为其提供电能的则是环保的风能或太阳能。

小结

由于锂离子电池在效用上也存在着较大的限制瓶颈,比如在能量密度、安全以及成本等方面。相信随着新技术的发展,未来新型电池将会不断与锂离子电池争夺市场。当然,新旧电池的市场争夺战可能还需要一段时间,但未来,新电池技术将以更低的成本带来更安全的使用体验。
 
 
 
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干货:这才是保证电池安全靠谱的快充技术正确打开方式

机械自动化类 金玉兰 2016-09-24 09:23 发表了文章 来自相关话题

关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者进行一下基本科普,满足大家对快充的许多疑问。

编者:近年来,关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者发现对于快充的剖析、科普文章一直比较少,很多人对快充有着许多的疑问。在本文中,笔者首先进行一下基本科普,然后从材料角度入手,分析锂电池快充技术对于电池材料、组成结构方面的要求,并将简单分析需要快充技术的场合和该技术的意义,主要面向对象是对于材料、电池、汽车、储能、投资、政策等相关行业需要对技术有一定了解的朋友。

关于快充常见问题的几个科普回答

首先介绍电池充电中的“C”的概念。这个概念非常重要,是电池讨论分析中最常用的术语。电池中的倍率缩写是Current-Rate——“A C rate is a measure of the rate at which a battery is discharged relative to its maximum capacity. A 1C rate means that the discharge current will discharge the entire battery in 1 hour.” 就是电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值,1C表示用1个小时将电池电量放完所需要的电流大小。2C就表示0.5小时放完所需要的电流大小。倍率越大,也就意味着电流越大。

之后就是快充的定义:顾名思义,快充即对二次可充放电池的快速充电的过程,其实多快算快,多快就不算快也没有一个特别严格的定义,但是一般情况下可以简单化的理解为在小于1小时内充电的制度(即充电速率大于1C)。知乎上经常有人咨询笔者各种快充的问题,在这里,笔者首先要强调几个概念,供科普用:

1) 电池的充电一般都是靠测量其电压来测定充放电程度的,使用库仑计的是少数,而这种情况下电池充/放电的电量显示实际上只是一个电池实时电压的换算关系。快充与慢充相比,会带来很大的过电压(电流变大,U=IR,电池内阻会贡献更大的过电压),化学扩散反应也会跟不上,此时虽然电池可能表面上充到了一个高电压值而显示电量很高,实际上并没有充进那么多电,一个实例如下图所示:






该图中,同种材料经不同优化工艺后,倍率性能不同(左差右好),在5C高倍率充放电制度下虽然都充到了4.5V(体现为充“满”),但是实际上可用的容量差别很大,一个为75mAh/g,一个为108mAh/g。

2) 所以实际上,任何电池其实都能快充充“满”电,在这里的“满”其实只是电压提了上去,无法与充入的电量/能量直接线性比例地对应起来。而且在这些时候,大电流充电会导致焦耳发热效应加剧(Q=I2Rt),并带来电池内的材料副反应分解、产气等一系列问题,危险系数骤然增加,至于此条件下电池的寿命就更不用提了,非功率型电池的寿命必然会大幅缩短:因此其实是大部分厂家自己为了安全可靠,出于综合考虑,厂家设计了电路为电池限定了充电电流的上限,不让大家使用快充。

3) 所以如果电池想要快充,对于其功率相关的性能要求也就更高,内阻低就是很重要的一条(Q=I2Rt,小的电阻值R可以减少焦耳发热量),在这种情况下,使用高电导的电极材料(碳包覆,改性提高锂扩散系数,减小粒径缩短扩散路径)、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极(让传质扩散距离变短)都是典型的功率快充型电池的设计思路。以上这些设计理念当然也会与追求能量密度的目标有所冲突,鱼与熊掌不可兼得,具体可以参考笔者之前的文章《光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓》。






4)满足3)中所述特性的功率型电池,比起能量型电池更为适合快充,这意味着其内阻小,充电发热量低,副反应更少,安全性能更好,比起能量型/那些大部分不适合快充的电池,在大电流快充时其电压与充入电量/能量的对应关系更优,通俗的讲就是:发热少,更安全,真的能充进那么多电,而不是只是显示着好像能充进去。

5)老生常谈的一个简单判据,如果有人吹嘘他的快充技术,你一定要折算一下充电功率,然后看看这个充电功率需要对应多粗的电线,单这一条判据就足够筛走90%不靠谱的快充假新闻了。

快充电池,对于电池各部分的要求?

如果电池想要快充,对于其功率相关的性能要求也就更高。而对于电池来说,如果要提升功率性能,需要在电池整体的各个环节中都下功夫,主要包括正极、负极、电解液、隔膜和结构设计等。






锂离子电池的电化学原理示意图

1)正极

实际上,各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池,主要需要保证的性能包括电导(减少内阻)、扩散(保证反应动力学)、寿命(不需要解释)、安全(不需要解释)、适当的加工性能(比表面积不可太大,减少副反应,为安全服务)。当然,对于每种具体材料要解决的问题可能有所差异,但是我们一般常见的正极材料都可以通过一系列的优化来满足这些要求,但是不同材料也有所区别:

A、磷酸铁锂可能更侧重于解决电导、低温方面的问题。进行碳包覆,适度纳米化(注意,是适度,绝对不是越细越好的简单逻辑),在颗粒表面处理形成离子导体都是最为典型的策略,相关有大量的文献以及企业的研究成果报导,在国内,CATL和BYD等企业都在磷酸铁锂的优化方面有自己的特色。

B、三元材料本身电导已经比较好,但是其反应活性太高,因此三元材料少有进行纳米化的工作(纳米化可不是什么万金油式的材料性能提升的解药,尤其是在电池领域中有时还有好多反作用),更多在注重安全性和抑制(与电解液的)副反应,毕竟目前三元材料的一大命门就在于安全,近来的电池安全事故频发也对此方面提出了更高的要求。

C、锰酸锂是则对于寿命更为看重,目前市面上也有不少锰酸锂系的快充电池。

2)负极

锂离子电池充电的时候,锂向负极迁移。而快充大电流带来的高过电位会导致负极电位更负,此时负极迅速接纳锂的压力会变大,生成锂枝晶的倾向会变大,因此快充时负极不仅要满足锂扩散的动力学要求,更要解决锂枝晶生成倾向加剧带来的安全性问题,所以快充电芯实际上主要的技术难点为锂离子在负极的嵌入。

A、目前市场上占有统治地位的负极材料仍然是石墨(占市场份额的90%左右),根本原因无他——便宜(你们天天嫌电池贵,叹号!),以及石墨综合的加工性能、能量密度方面都比较优秀,缺点相对较少。石墨负极当然也有问题,其表面对于电解液较为敏感,锂的嵌入反应带有强的方向性,因此进行石墨表面处理,提高其结构稳定性,促进锂离子在基上的扩散是主要需要努力的方向,CATL在这方面做了很多非常先进的工作,有效地提升了石墨负极的综合性能。

B、硬碳和软碳类材料近年来也有不少的发展:硬碳材料嵌锂电位高,材料中有微孔因此反应动力学性能良好;而软碳材料与电解液相容性好,MCMB材料也很有代表性,只是硬软碳材料普遍效率偏低,成本较高(而且想像石墨一样便宜恐怕从工业角度上看希望不大),因此目前用量远不及石墨,更多用在一些特种电池上。

C、有人会问笔者钛酸锂如何。简单说一下:钛酸锂的优点是功率密度高,较安全,缺点也明显,能量密度很低,按Wh计算成本很高。因此作者对于钛酸锂电池的观点一直是:是一种有用的在特定场合下有优势的技术,但是对于很多对成本、续航里程要求较高的场合并不太适用。具体分析见笔者的文章:http://www.d1ev.com/45468.html

D、硅负极材料是重要的发展方向,松下的新型18650电池已经开始了对此类材料的商用进程。但是如何在纳米化追求性能与电池工业对于材料的一般微米级的要求方面达到一个平衡,仍是比较有挑战性的工作。

3)隔膜

对于功率型电池,大电流工作对其安全、寿命上提供了更高的要求。隔膜涂层技术是绕不开的,陶瓷涂层隔膜因为其高安全、可以消耗电解液中杂质等特性正在迅速推开,尤其对于三元电池安全性的提升效果格外显著。陶瓷隔膜目前主要使用的体系是把氧化铝颗粒涂布在传统隔膜表面,比较新颖的做法是将固态电解质纤维涂在隔膜上,这样的隔膜的内阻更低,纤维对于隔膜的力学支撑效果更优,而且在服役过程中其堵塞隔膜孔的倾向更低。涂层以后的隔膜,稳定性好,即使温度比较高,也不容易收缩变形导致短路,清华大学材料学院南策文院士课题组技术支持的江苏清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作,隔膜如下图所示。






涂布固态电解质纤维的隔膜

4)电解液

电解液对于快充锂离子电池的性能影响很大。要保证电池在快充大电流下的稳定和安全性,此时电解液要满足以下几个特性:A)不能分解,B)导电率要高,C)对正负极材料是惰性的,不能反应或溶解。如果要达到这几个要求,关键要用到添加剂和功能电解质。比如三元快充电池的安全受其影响很大,必须向其中加入各种抗高温类、阻燃类、防过充电类的添加剂保护,才能一定程度上提高其安全性。而钛酸锂电池的老大难问题,高温胀气,也得靠高温功能型电解液改善。

5)电池结构设计

典型的一个优化策略就是叠层式VS卷绕式,叠层式电池的电极之间相当于是并联关系,卷绕式则相当于是串联,因此前者内阻要小的多,更适合用于功率型场合。另外也可以在极耳数目上下功夫,解决内阻和散热问题。此外使用高电导的电极材料、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极也都是可以考虑的策略。






需要快充的场合与意义

笔者之前曾经写过算是批评一部分快充“成果”的文章,但是笔者并没有认为快充不重要,而是在强调几点:

1) 不能只看快充性能,其它性能不管不顾(连个体积功率密度都不敢报,做一个电池体积膨胀好几倍也有可能),报喜不报忧,用信息不对称去蒙蔽政府,欺骗消费者,忽悠投资人。







如果这款能量密度好高的产品,能给公布个充放电曲线,功率密度,体积相关参数,成本,让我们能对这个产品有个深入的了解,就好了

2)没有技术是万能的,尺有所短寸有所长,在追求能量密度为首要矛盾的场合(比如家用需要长续航的电动汽车),过分强调功率密度的做法显得思维混乱,笔者反对是在该强调能量密度的情况下的这种避重就轻的宣传行为。在笔者之前的文章《光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓》中已经在此方面有了大量的分析。

3)但是确也有一些情境是功率密度比起能量密度更重要的,比如线路固定,每站停下充电的公交车,以及混动汽车,还有储能中负责平滑新能源电网瞬时波动的电池/电容/飞轮,无不对于功率性能有着很高的要求,在这里就可以把功率密度的优先级排到更前,传统的以Wh计量成本的算法也常常需要做相应的修正(比如以W来计算成本)。

快速充电对于我们日常生活的便利其实都非常直观,核心无非在于省时间这一点——电动汽车如果可以像汽油车一样几分钟就可以恢复最大续航;手机迅速充满(比如VIVO OPPO等手机的技术,其中CATL为其提供快充型电池做出了相当的贡献),不用为了电量总是焦虑。但是快充电池的潜在贡献远不只在此,比如功率型储能器件快速普及可以极大的帮助新能源的消纳,尤其是应对间隙性和波动性的问题,功率储能设备还可以在电网中承担更多的复杂服务功能,其快速响应的优点可以胜任电网中的许多场合,带来综合收益,是电网智能化、建设能源互联网的重要组成部分。

如果以上的期望可以变为现实必然可以为生活带来极大的便利,以电替代传统一次能源使人类社会的运行结构发生真正的革命性变化完全有可能。然而浪漫的理想是好的,现实中有仍有很多技术困难需要克服,电化学业内目前几乎很多人都认为,在近几年内,电池技术可能更多的会有的是渐进增量式的改进(incremental improvement),发生革命性突破的概率不是那么的大(revolutionary breakthrough)。
 
 
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关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者进行一下基本科普,满足大家对快充的许多疑问。

编者:近年来,关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者发现对于快充的剖析、科普文章一直比较少,很多人对快充有着许多的疑问。在本文中,笔者首先进行一下基本科普,然后从材料角度入手,分析锂电池快充技术对于电池材料、组成结构方面的要求,并将简单分析需要快充技术的场合和该技术的意义,主要面向对象是对于材料、电池、汽车、储能、投资、政策等相关行业需要对技术有一定了解的朋友。

关于快充常见问题的几个科普回答

首先介绍电池充电中的“C”的概念。这个概念非常重要,是电池讨论分析中最常用的术语。电池中的倍率缩写是Current-Rate——“A C rate is a measure of the rate at which a battery is discharged relative to its maximum capacity. A 1C rate means that the discharge current will discharge the entire battery in 1 hour.” 就是电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值,1C表示用1个小时将电池电量放完所需要的电流大小。2C就表示0.5小时放完所需要的电流大小。倍率越大,也就意味着电流越大。

之后就是快充的定义:顾名思义,快充即对二次可充放电池的快速充电的过程,其实多快算快,多快就不算快也没有一个特别严格的定义,但是一般情况下可以简单化的理解为在小于1小时内充电的制度(即充电速率大于1C)。知乎上经常有人咨询笔者各种快充的问题,在这里,笔者首先要强调几个概念,供科普用:

1) 电池的充电一般都是靠测量其电压来测定充放电程度的,使用库仑计的是少数,而这种情况下电池充/放电的电量显示实际上只是一个电池实时电压的换算关系。快充与慢充相比,会带来很大的过电压(电流变大,U=IR,电池内阻会贡献更大的过电压),化学扩散反应也会跟不上,此时虽然电池可能表面上充到了一个高电压值而显示电量很高,实际上并没有充进那么多电,一个实例如下图所示:
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该图中,同种材料经不同优化工艺后,倍率性能不同(左差右好),在5C高倍率充放电制度下虽然都充到了4.5V(体现为充“满”),但是实际上可用的容量差别很大,一个为75mAh/g,一个为108mAh/g。

2) 所以实际上,任何电池其实都能快充充“满”电,在这里的“满”其实只是电压提了上去,无法与充入的电量/能量直接线性比例地对应起来。而且在这些时候,大电流充电会导致焦耳发热效应加剧(Q=I2Rt),并带来电池内的材料副反应分解、产气等一系列问题,危险系数骤然增加,至于此条件下电池的寿命就更不用提了,非功率型电池的寿命必然会大幅缩短:因此其实是大部分厂家自己为了安全可靠,出于综合考虑,厂家设计了电路为电池限定了充电电流的上限,不让大家使用快充。

3) 所以如果电池想要快充,对于其功率相关的性能要求也就更高,内阻低就是很重要的一条(Q=I2Rt,小的电阻值R可以减少焦耳发热量),在这种情况下,使用高电导的电极材料(碳包覆,改性提高锂扩散系数,减小粒径缩短扩散路径)、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极(让传质扩散距离变短)都是典型的功率快充型电池的设计思路。以上这些设计理念当然也会与追求能量密度的目标有所冲突,鱼与熊掌不可兼得,具体可以参考笔者之前的文章《光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓》。

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4)满足3)中所述特性的功率型电池,比起能量型电池更为适合快充,这意味着其内阻小,充电发热量低,副反应更少,安全性能更好,比起能量型/那些大部分不适合快充的电池,在大电流快充时其电压与充入电量/能量的对应关系更优,通俗的讲就是:发热少,更安全,真的能充进那么多电,而不是只是显示着好像能充进去。

5)老生常谈的一个简单判据,如果有人吹嘘他的快充技术,你一定要折算一下充电功率,然后看看这个充电功率需要对应多粗的电线,单这一条判据就足够筛走90%不靠谱的快充假新闻了。

快充电池,对于电池各部分的要求?

如果电池想要快充,对于其功率相关的性能要求也就更高。而对于电池来说,如果要提升功率性能,需要在电池整体的各个环节中都下功夫,主要包括正极、负极、电解液、隔膜和结构设计等。

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锂离子电池的电化学原理示意图

1)正极

实际上,各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池,主要需要保证的性能包括电导(减少内阻)、扩散(保证反应动力学)、寿命(不需要解释)、安全(不需要解释)、适当的加工性能(比表面积不可太大,减少副反应,为安全服务)。当然,对于每种具体材料要解决的问题可能有所差异,但是我们一般常见的正极材料都可以通过一系列的优化来满足这些要求,但是不同材料也有所区别:

A、磷酸铁锂可能更侧重于解决电导、低温方面的问题。进行碳包覆,适度纳米化(注意,是适度,绝对不是越细越好的简单逻辑),在颗粒表面处理形成离子导体都是最为典型的策略,相关有大量的文献以及企业的研究成果报导,在国内,CATL和BYD等企业都在磷酸铁锂的优化方面有自己的特色。

B、三元材料本身电导已经比较好,但是其反应活性太高,因此三元材料少有进行纳米化的工作(纳米化可不是什么万金油式的材料性能提升的解药,尤其是在电池领域中有时还有好多反作用),更多在注重安全性和抑制(与电解液的)副反应,毕竟目前三元材料的一大命门就在于安全,近来的电池安全事故频发也对此方面提出了更高的要求。

C、锰酸锂是则对于寿命更为看重,目前市面上也有不少锰酸锂系的快充电池。

2)负极

锂离子电池充电的时候,锂向负极迁移。而快充大电流带来的高过电位会导致负极电位更负,此时负极迅速接纳锂的压力会变大,生成锂枝晶的倾向会变大,因此快充时负极不仅要满足锂扩散的动力学要求,更要解决锂枝晶生成倾向加剧带来的安全性问题,所以快充电芯实际上主要的技术难点为锂离子在负极的嵌入。

A、目前市场上占有统治地位的负极材料仍然是石墨(占市场份额的90%左右),根本原因无他——便宜(你们天天嫌电池贵,叹号!),以及石墨综合的加工性能、能量密度方面都比较优秀,缺点相对较少。石墨负极当然也有问题,其表面对于电解液较为敏感,锂的嵌入反应带有强的方向性,因此进行石墨表面处理,提高其结构稳定性,促进锂离子在基上的扩散是主要需要努力的方向,CATL在这方面做了很多非常先进的工作,有效地提升了石墨负极的综合性能。

B、硬碳和软碳类材料近年来也有不少的发展:硬碳材料嵌锂电位高,材料中有微孔因此反应动力学性能良好;而软碳材料与电解液相容性好,MCMB材料也很有代表性,只是硬软碳材料普遍效率偏低,成本较高(而且想像石墨一样便宜恐怕从工业角度上看希望不大),因此目前用量远不及石墨,更多用在一些特种电池上。

C、有人会问笔者钛酸锂如何。简单说一下:钛酸锂的优点是功率密度高,较安全,缺点也明显,能量密度很低,按Wh计算成本很高。因此作者对于钛酸锂电池的观点一直是:是一种有用的在特定场合下有优势的技术,但是对于很多对成本、续航里程要求较高的场合并不太适用。具体分析见笔者的文章:http://www.d1ev.com/45468.html

D、硅负极材料是重要的发展方向,松下的新型18650电池已经开始了对此类材料的商用进程。但是如何在纳米化追求性能与电池工业对于材料的一般微米级的要求方面达到一个平衡,仍是比较有挑战性的工作。

3)隔膜

对于功率型电池,大电流工作对其安全、寿命上提供了更高的要求。隔膜涂层技术是绕不开的,陶瓷涂层隔膜因为其高安全、可以消耗电解液中杂质等特性正在迅速推开,尤其对于三元电池安全性的提升效果格外显著。陶瓷隔膜目前主要使用的体系是把氧化铝颗粒涂布在传统隔膜表面,比较新颖的做法是将固态电解质纤维涂在隔膜上,这样的隔膜的内阻更低,纤维对于隔膜的力学支撑效果更优,而且在服役过程中其堵塞隔膜孔的倾向更低。涂层以后的隔膜,稳定性好,即使温度比较高,也不容易收缩变形导致短路,清华大学材料学院南策文院士课题组技术支持的江苏清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作,隔膜如下图所示。

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涂布固态电解质纤维的隔膜

4)电解液

电解液对于快充锂离子电池的性能影响很大。要保证电池在快充大电流下的稳定和安全性,此时电解液要满足以下几个特性:A)不能分解,B)导电率要高,C)对正负极材料是惰性的,不能反应或溶解。如果要达到这几个要求,关键要用到添加剂和功能电解质。比如三元快充电池的安全受其影响很大,必须向其中加入各种抗高温类、阻燃类、防过充电类的添加剂保护,才能一定程度上提高其安全性。而钛酸锂电池的老大难问题,高温胀气,也得靠高温功能型电解液改善。

5)电池结构设计

典型的一个优化策略就是叠层式VS卷绕式,叠层式电池的电极之间相当于是并联关系,卷绕式则相当于是串联,因此前者内阻要小的多,更适合用于功率型场合。另外也可以在极耳数目上下功夫,解决内阻和散热问题。此外使用高电导的电极材料、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极也都是可以考虑的策略。

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需要快充的场合与意义

笔者之前曾经写过算是批评一部分快充“成果”的文章,但是笔者并没有认为快充不重要,而是在强调几点:

1) 不能只看快充性能,其它性能不管不顾(连个体积功率密度都不敢报,做一个电池体积膨胀好几倍也有可能),报喜不报忧,用信息不对称去蒙蔽政府,欺骗消费者,忽悠投资人。


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如果这款能量密度好高的产品,能给公布个充放电曲线,功率密度,体积相关参数,成本,让我们能对这个产品有个深入的了解,就好了

2)没有技术是万能的,尺有所短寸有所长,在追求能量密度为首要矛盾的场合(比如家用需要长续航的电动汽车),过分强调功率密度的做法显得思维混乱,笔者反对是在该强调能量密度的情况下的这种避重就轻的宣传行为。在笔者之前的文章《光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓》中已经在此方面有了大量的分析。

3)但是确也有一些情境是功率密度比起能量密度更重要的,比如线路固定,每站停下充电的公交车,以及混动汽车,还有储能中负责平滑新能源电网瞬时波动的电池/电容/飞轮,无不对于功率性能有着很高的要求,在这里就可以把功率密度的优先级排到更前,传统的以Wh计量成本的算法也常常需要做相应的修正(比如以W来计算成本)。

快速充电对于我们日常生活的便利其实都非常直观,核心无非在于省时间这一点——电动汽车如果可以像汽油车一样几分钟就可以恢复最大续航;手机迅速充满(比如VIVO OPPO等手机的技术,其中CATL为其提供快充型电池做出了相当的贡献),不用为了电量总是焦虑。但是快充电池的潜在贡献远不只在此,比如功率型储能器件快速普及可以极大的帮助新能源的消纳,尤其是应对间隙性和波动性的问题,功率储能设备还可以在电网中承担更多的复杂服务功能,其快速响应的优点可以胜任电网中的许多场合,带来综合收益,是电网智能化、建设能源互联网的重要组成部分。

如果以上的期望可以变为现实必然可以为生活带来极大的便利,以电替代传统一次能源使人类社会的运行结构发生真正的革命性变化完全有可能。然而浪漫的理想是好的,现实中有仍有很多技术困难需要克服,电化学业内目前几乎很多人都认为,在近几年内,电池技术可能更多的会有的是渐进增量式的改进(incremental improvement),发生革命性突破的概率不是那么的大(revolutionary breakthrough)。
 
 
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废旧动力电池也是宝

智能制造类 无国界 2016-08-18 15:57 发表了文章 来自相关话题

  预测,到2020年,全球废旧锂电池的数量约为250亿只,重量达50万吨。
  那些不能被电动汽车继续使用的电池,还可以按照电池容量的不同被运用到储能系统以及路灯、低速电动车、电动自行车等身上,最后进入回收体系,这被称为动力电池的梯次利用与再生回收。
  在6月20-21日中国电动汽车百人会与青海省人民政府、科学技术部、工业和信息化部共同主办的“锂产业-新生态”国际高峰论坛上,动力电池的回收与梯次利用正是重点探讨的一个主题。
  在世界范围内,动力电池的再利用也一直是电动汽车领域的重要研究课题。
  1996年,美国先进电池联合会USABC资助ANL开展电动汽车电池二次利用技术研究。2002年,SNL及DOE资助Sentech公司开展电动汽车动力电池二次利用技术研究。2009年日本东芝提出对SCIB电池进行二次利用。
  2013年以后,国内众多动力电池企业、电动汽车企业等看到了电池回收的前景,积极开展动力电池梯次利用基础研究,相关应用也逐渐增多。
  截至2015年我国有效进行梯次利用电池不足1GWh,而据预测5年后将有19GWh的梯次利用的市场。随着电池衰减库存增加,可低成本梯级利用的电池逐年增多且将呈几何级数增长。
  宁德时代新能源科技股份有限公司总裁黄世霖认为,目前最最重要的是梯次利用的产业要形成,这就要求,“在电芯设计的时候,要有足够长的寿命、足够好的性能;在做成模组和电动汽车的时候,就要考虑未来的模组和电动汽车的电池包可以非常容易地应用到储能系统里面来”。
  中国电科院储能与电工新技术研究所高级工程师刘道坦认为电动汽车的梯次利用还要考虑到电动汽车的复杂性,比如,设计与制造工艺多样,高效率电池高能量密度电池成组形式多样,应用车型使用工况多样,生产日期服役时间多样。
  技术性可行性方面,包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性。这些涉及到老化、失效机理,后续寿命,安全性、可靠性检测,分级筛选技术,工况测试,重组与管理技术等方面,目前标准还是缺失的。
  经济可行性方面,包括旧电池成本及运输/检测/重组成本,新电池成本的快速降低,其他低成本的竞争性储能技术,再利用的收益。这些需要快速检测/分选/成本技术,选择效益更好的再利用场景,电池系统组件综合再利用,电池物尽其用等。
  市场方面,所有权复杂、电池残值、风险责任、电力市场,需要政府支撑与扶持,产业界积极应用。
  总的来讲,电动汽车动力电池梯次利用技术上总体可行。动力电池梯次利用的经济性随着储能市场的发展及电池梯次利用规模化的应用,将逐渐显现。动力电池技术进步、性能的提高利于电池梯次利用。电动汽车电池相关标准化有助于其梯次利用,梯次利用动力电池的测试标准体系有待建立。










国家发改委能源研究所副研究员赵勇强提醒到,现在新能源行业有大量的光伏组件,比如纳米纤维将来的回收利用也要作为重要议题来进行讨论,“行业从开始就按照长期可持续目标来发展推动,这样才能赢得各方面的支持,避免光伏行业、汽车行业高耗能、高污染的负面问题”。




在应用上,国家电网建有30KW/1MWh梯次利用锰酸锂电池储能系统和250KW/1MWh梯次利用磷酸铁锂电池储能系统。前者主要作用是低谷储电,后者主要用于接纳可再生能源发电。




目前国内从事废旧锂电池资源化利用的企业有深圳格林美、佛山邦普等公司。不过,这个行业的竞争者远不止这些公司,很多电池企业也早已有所行动。




深圳比克电池的“废旧新能源汽车拆解及回收再利用”项目,已获得国家专项投资补助1000万元。项目总投资2亿元、拟建设占地3万平方米,预计2017年建成并达到年综合处理2万辆报废汽车及3万吨动力电池的能力。




合肥国轩高科动力能源公司在梯次利用应用上已经形成电动三轮车、电动自行车、路灯电池组、1.28MW储能电站、5KW家用储能箱、10MW集装箱式电站等解决方案,在资源回收方面已建成日处理2000Ah电池的资源化回收小试线。




中航锂电在电池的梯次利用和再次利用上也已经有了系统性解决方案,其再生回收的回收率可以做到金属回收率99%以上,正负极在94%以上。预计2018年,将批量承担电池回收业务。




万向A123系统有限公司的湿法回收工艺已经实现了电池安全无污染的拆解。根据测算,从整个投入来看,回收处理1吨废旧电池的花费约在5575元,回收处理1吨废旧三元电池的收益为5900元。他们的结论是,三元电池回收可实现预期经济效益,LFP电池回收须通过提高回收处理效率以期实现经济效益平衡。




政策上,2012年7月出台的《节能与新能源汽车产业发展规划 (2012~2020年 )》就明确提出,要制定动力电池回收利用管理办法,建立梯级利用和回收管理体系。2015年9月发布的《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策》明确规定了动力电池回收实施生产者责任延伸制度。




2016年1月,《车用动力电池回收利用拆解规范》和《车用动力电池回收利用余能检测》通过审定。这是中国第一个新能源汽车动力电池回收国家标准。




政策的逐步完善和细化意味着我国动力电池回收、循环再利用规范化、标准化已经有了初步成果,对于电池回收的循环经济会是很大促进。




尽管目前动力电池梯次利用和再生回收市场远未形成规模,相关的技术测试标准体系还没有完备,但其产业化已迫在眉睫,市场前景可期。(更多内容详见2016年7月刊《汽车商业评论》) 查看全部

  预测,到2020年,全球废旧锂电池的数量约为250亿只,重量达50万吨。
  那些不能被电动汽车继续使用的电池,还可以按照电池容量的不同被运用到储能系统以及路灯、低速电动车、电动自行车等身上,最后进入回收体系,这被称为动力电池的梯次利用与再生回收。
  在6月20-21日中国电动汽车百人会与青海省人民政府、科学技术部、工业和信息化部共同主办的“锂产业-新生态”国际高峰论坛上,动力电池的回收与梯次利用正是重点探讨的一个主题。
  在世界范围内,动力电池的再利用也一直是电动汽车领域的重要研究课题。
  1996年,美国先进电池联合会USABC资助ANL开展电动汽车电池二次利用技术研究。2002年,SNL及DOE资助Sentech公司开展电动汽车动力电池二次利用技术研究。2009年日本东芝提出对SCIB电池进行二次利用。
  2013年以后,国内众多动力电池企业、电动汽车企业等看到了电池回收的前景,积极开展动力电池梯次利用基础研究,相关应用也逐渐增多。
  截至2015年我国有效进行梯次利用电池不足1GWh,而据预测5年后将有19GWh的梯次利用的市场。随着电池衰减库存增加,可低成本梯级利用的电池逐年增多且将呈几何级数增长。
  宁德时代新能源科技股份有限公司总裁黄世霖认为,目前最最重要的是梯次利用的产业要形成,这就要求,“在电芯设计的时候,要有足够长的寿命、足够好的性能;在做成模组和电动汽车的时候,就要考虑未来的模组和电动汽车的电池包可以非常容易地应用到储能系统里面来”。
  中国电科院储能与电工新技术研究所高级工程师刘道坦认为电动汽车的梯次利用还要考虑到电动汽车的复杂性,比如,设计与制造工艺多样,高效率电池高能量密度电池成组形式多样,应用车型使用工况多样,生产日期服役时间多样。
  技术性可行性方面,包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性。这些涉及到老化、失效机理,后续寿命,安全性、可靠性检测,分级筛选技术,工况测试,重组与管理技术等方面,目前标准还是缺失的。
  经济可行性方面,包括旧电池成本及运输/检测/重组成本,新电池成本的快速降低,其他低成本的竞争性储能技术,再利用的收益。这些需要快速检测/分选/成本技术,选择效益更好的再利用场景,电池系统组件综合再利用,电池物尽其用等。
  市场方面,所有权复杂、电池残值、风险责任、电力市场,需要政府支撑与扶持,产业界积极应用。
  总的来讲,电动汽车动力电池梯次利用技术上总体可行。动力电池梯次利用的经济性随着储能市场的发展及电池梯次利用规模化的应用,将逐渐显现。动力电池技术进步、性能的提高利于电池梯次利用。电动汽车电池相关标准化有助于其梯次利用,梯次利用动力电池的测试标准体系有待建立。










国家发改委能源研究所副研究员赵勇强提醒到,现在新能源行业有大量的光伏组件,比如纳米纤维将来的回收利用也要作为重要议题来进行讨论,“行业从开始就按照长期可持续目标来发展推动,这样才能赢得各方面的支持,避免光伏行业、汽车行业高耗能、高污染的负面问题”。




在应用上,国家电网建有30KW/1MWh梯次利用锰酸锂电池储能系统和250KW/1MWh梯次利用磷酸铁锂电池储能系统。前者主要作用是低谷储电,后者主要用于接纳可再生能源发电。




目前国内从事废旧锂电池资源化利用的企业有深圳格林美、佛山邦普等公司。不过,这个行业的竞争者远不止这些公司,很多电池企业也早已有所行动。




深圳比克电池的“废旧新能源汽车拆解及回收再利用”项目,已获得国家专项投资补助1000万元。项目总投资2亿元、拟建设占地3万平方米,预计2017年建成并达到年综合处理2万辆报废汽车及3万吨动力电池的能力。




合肥国轩高科动力能源公司在梯次利用应用上已经形成电动三轮车、电动自行车、路灯电池组、1.28MW储能电站、5KW家用储能箱、10MW集装箱式电站等解决方案,在资源回收方面已建成日处理2000Ah电池的资源化回收小试线。




中航锂电在电池的梯次利用和再次利用上也已经有了系统性解决方案,其再生回收的回收率可以做到金属回收率99%以上,正负极在94%以上。预计2018年,将批量承担电池回收业务。




万向A123系统有限公司的湿法回收工艺已经实现了电池安全无污染的拆解。根据测算,从整个投入来看,回收处理1吨废旧电池的花费约在5575元,回收处理1吨废旧三元电池的收益为5900元。他们的结论是,三元电池回收可实现预期经济效益,LFP电池回收须通过提高回收处理效率以期实现经济效益平衡。




政策上,2012年7月出台的《节能与新能源汽车产业发展规划 (2012~2020年 )》就明确提出,要制定动力电池回收利用管理办法,建立梯级利用和回收管理体系。2015年9月发布的《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策》明确规定了动力电池回收实施生产者责任延伸制度。




2016年1月,《车用动力电池回收利用拆解规范》和《车用动力电池回收利用余能检测》通过审定。这是中国第一个新能源汽车动力电池回收国家标准。




政策的逐步完善和细化意味着我国动力电池回收、循环再利用规范化、标准化已经有了初步成果,对于电池回收的循环经济会是很大促进。




尽管目前动力电池梯次利用和再生回收市场远未形成规模,相关的技术测试标准体系还没有完备,但其产业化已迫在眉睫,市场前景可期。(更多内容详见2016年7月刊《汽车商业评论》)
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BMS需求超百亿,你必须了解的核心技术和市场潜力!

机械自动化类 功夫熊猫 2016-07-15 13:12 发表了文章 来自相关话题

[摘要] BMS的市场增量主要来自两方面,对汽车用BMS的需求在很长一段时间将是增量市场,再就是以往以铅酸电池为动力的低速电动车市场。
最近有投资机构在向本人询问BMS投资这块的问题,处于风口上的BMS专业厂家科列技术更是在新三板的估值超过30亿元,资本市场对其关注度只增不减。在此本人查阅了一些资料,以及对市场的预测,对BMS的重要性以及相关技术做了一些阐述,还请这块的大牛们多多拍砖。BMS作为电动汽车的一个核心部件之一,整个新能源电动汽车产业的蓬勃发展给这块的投资带来了机遇,同时也充满了风险和挑战。BMS的重要性

电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)简称BMS,主要功能就是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。对于电动汽车来说,BMS系统肩负着很重要的责任,是电池的核心管家。特别是近几年电动汽车推广的过程中出现的锂电池起火燃烧安全事故,更是把电池管理的安全性提高到前所未有的高度,甚至把电动汽车这个行业推到了风口浪尖。电动汽车电池在使用过程中最大化的发挥经济效益以及安全的保障车辆的运行,BMS系统起到了关键的作用。

在电动汽车整车中,BMS所占有的成本不是很高。主要有这么几个作用,估测电池的荷电状态,检测电池的使用状态,管控电池的循环寿命。在充电过程中对电池的热管理,启停锂电池的冷却系统,同时也管理单体电池之间的均衡,防止单体电池过充过放产生危险。再就是监测整个电池的健康工作状态。

锂电池的与BMS

要彻底了解BMS的工作原理和其重要性,还要从BMS管控的锂电池说起。锂电池主要是指以锂离子嵌入化合物为正负极材料的一类电池。一般常见的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴铝酸锂(三元锂)、钛酸锂等材料,每种材料的特性也都不一样。负极材料一般是石墨,目前也在研究石墨烯材料应用于锂电池的负极材料中,电解液用的比较多的是六氟磷酸锂。锂电池的充放电可以用下图来表示。由于电解质为有机溶剂,属于非导电体,在工作的过程中不会出现像铅酸电池那样的电解液导电现象,所以能够承受大电流充电,实现快充功能。

当然不同的正极材料和负极材料以及电解液做出的锂电池所表现出的电池特性是不一样的,例如三元锂电池和磷酸铁锂电池的外在开路电压,内阻值,放电倍率以及环境温度适应能力都是不一样的,对于BMS来说SOC的估测更是没有一套放之任何锂电池而皆准的标准算法。从锂电池的内部说起,看看BMS对于锂电池的重要性。


铅酸电池出现过充的时候会出现电解水的反应,那么问题来了,如果锂电池出现过充或者是过放电将会产生什么现象呢?当充满电之后,锂离子大部分会嵌套在石墨上面,当石墨中所嵌入的锂的含量超过了它所承受的范围,那么多余的锂离子就会和负极中穿梭而来的电子结合,在负极表面上开始沉积,形成锂枝晶体。而且锂枝晶主要沉积在隔膜和负极的接触部位,生长的方向是沿着从负极→隔膜的走向,而这个方向很容易刺穿电池隔膜,一起电池内部短路,小则影响电池放电效率循环寿命,大则会危害电池的安全,造成起火等安全隐患。BMS就需要在任何情况下保障电池不能过充,及时准确判断电池的电荷状态,当充电器或者是充电桩对电动汽车充电到一定程度,即电池的电量达到一定范围上线电则立即断电保护电池。

当电动汽车充满电进行工作,理论上能将电池中存有的电量彻底释放完毕,达到电动汽车的最大续航里程。但是出现这样的情况对电池显然是不利的特别是使电池的循环使用寿命大大缩短。释放电量究竟要释放到剩余电量到多少就停止,这就是BMS的另一个功能,准确估测电池的荷电状态 (State of Charge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内。

在经典的电工学里面,电池的模型实际上就是一个理想电压源和一个电阻的串联,这个串联电阻也就是电池内阻。锂电池在生产的过程中,要求这个内阻越小越好,然而,内阻目前只能更进一步减小而不能从根本上消除内阻,而且这个内阻对于每个电池单体来说很难做到一致,只能在一定的范围之内。再加上生产工艺的控制,等因素的影响,每个单体电池的性能会存在一定的细微差异。电池只要是存在使用就会造成内阻对系统的影响,如充满电时候所表现出来的开路电压的细微差异。这就要求BMS对每个单提电池的细微管理,尤其是管理算法就显得更为重要。在电动汽车动力电池大电流充放电的情况下(快充、电机过载),内阻的存在会造成电池的过热,如果BMS没有及时有效的进行管控或者是出现失效状态(软件失效或者使硬件失效),不管是对电池还是对整车将是致命性的危险,甚至引起车体燃烧。

不同的电池参数和不同的电池材料所形成的单体电压时不一样的,BMS的进行电池管理的时候必须要有针对性,进行相互匹配。内在的控制算法更是发挥电池最大价值的核心所在。在整个使用过程中最基础的是电动汽车的安全性,能够保证BMS 在任何环境下都能够稳定可靠的工作软件的有效性和硬件的有效性,等等这些性能都是目前BMS专业企业所要做的工作。

BMS的工作原理与技术核心

对于BMS的技术,目前各大芯片厂家都推出了自己的解决方案,以及针对性的底层芯片,供厂家进行二次开发。常用的主流方案以及芯片有这么几个大的厂商,TI(德州仪器)、ST(意法半导体)、ADI(亚德诺)、ATMEL(艾特梅尔)、Infinen(英飞凌)、Intersil(英特矽尔)、Linear(凌力尔特)、Maxim(美信)等厂家。国内的BMS企业都是在此基础上进行二次开发,包括硬件设计,软件的搭建等。在很多年前这些厂家都已经进行过方案的验证和仿真。

在对电池的管理目前有主动式均衡管理和被动式均衡管理。两种管理模式各有优缺点,所采用的方式普遍为采集单体电池电压,串联电流,以及温度以及电池组的电压,然后将这些信号传给运算模块进行处理发出指令,最后将整个处理的信息指令通过CAN通讯系统传送给汽车中央控制单元或整车VMS系统。其组成主要由数据采集电路、电子控制单元(ECU)和通讯电路组成。总体分为硬件部分和软件部分,在硬件部分主要是在设计的时候考虑到硬件寿命使用冗余量等等硬件设计,保证整个BMS模块在使用的时候不会出现硬件的故障。在软件方面其最核心的技术在原SOC的估测算法,电动汽车动力电池的电荷状态估测是BMS控制算法的核心所在,直接影响到电动汽车的使用寿命和运行稳定性状态。

电动汽车使用的环境比较复杂,使用工况的不一样,电池的放电倍率的不一样都会影响到BMS对电池SOC的估测判断,再就是随着电池的循环使用,电池自然寿命的减少造成SOC的自然减少也会更进一步影响到BMS的判断。BMS对动力电池SOC的估算精度特别的重要。精度越高,对于相同容量的电池,可以有更高的续航里程。所以,高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的电池成本。而高精度的算法更是国内广大BMS专业厂家要去下功夫解决的问题。例如汽车持续的上坡,持续大电流放电,此时因为电池内部锂离子的扩散需要时间,造成单体电池电压快速降低,而对于SOC的估算更是一个不容易解决的问题。

对于BMS的控制保护机制所占用的控制单元CPU的资源并不是很多,但这并是说保护机制就不重要,保护机制的控制稍微比较简单,毕竟没有涉及到复杂的算法。而在核心方面SOC的估测,每一种状态和工况所需要的算法都不一样,比如下坡的能量回收,上坡时候的持续大电流放电,平坦路面的的持续行驶,糟糕路况的持续行驶,以及频繁的起步刹车路况。如果整个过程只采用以往的单体电池电压检测和电流时间积分来进行判断将会出现很大的估测误差。显然针对不同的工况需要建立不同的物理模型进行计算,甚至会涉及到数学物理方法里面的各种边界条件计算,这也不是简单的CUP能完成的任务。

总之对于一个好的BMS系统企业来说至少要达到这些条件掌握电池SOC核心算法;掌握健康状态SOH估算;掌握高效的均衡管理技术,先进的散热机制;掌握业内领先的高精度测量技术;可选配多功能数据记录仪等附加功能。在安全的性能方面要满足:电池安全管理多级故障诊断保护;高压安全管理;电池电压采集模块具备回路过流、短路保护等安全机制,电路更可靠;在通讯系统传输过程中满足EMC要求EMI要求,保证数据传输不会受到干扰而出现错误指令。在充电接口上符合标准规范:支持充电国标GBT 20234-2015及GBT 27930-2015;支持各种协议和故障诊断协议,能够在线对协议进行修改。

电动汽车的发展使我国的BMS技术与国外的BMS技术存在的差距并不是很大,国内依然有表现不俗的专业厂家。在目前来看国内BMS厂家比较多自身技术水平也参差不齐,这得益于电动汽车市场属于一个增量市场,处于飞速上升阶段。未来的情形一定使掌握有核心技术的厂家将引领市场的发展和规范。

BMS的市场潜力

从下游整车厂的反映来看,BMS市场由动力电池企业、PACK企业及BMS企业来把控。整车厂更愿意以签订技术协议的方式整体采购电池组+BMS。究其原因,整车厂不愿意花精力去做BMS主要是基于这么几点:1、BMS占整车成本较小,涉足该领域不合算;2、电池组分开采购,BMS作为电池安全管理系统,一旦出现问题,就会出现“扯不清”的情况;3、BMS与电池须高度匹配,电池材料、电压、温度等不同,BMS方案就会不同。在不了解电池的情况下,整车厂去做BMS没有任何优势。

由于市场上电池的型号,材料等等存在多样性,BMS的匹配更是需要进行专业的匹配。对于电池厂家来讲,除非电池的出货量足够大,才有会考虑自己去做BMS,然而随着锂电池厂家产品线的丰富和产品的多样化策略,电池厂家的BMS业务依然会放下归专业的公司来做。从近几年的释放份额的分布上来看就能反映出来。

目前BMS的提供商主要集中在专业BMS厂家如科列技术、亿能电子、妙益电子、冠拓等专业厂家,毕竟专业的事还需要专业的厂家来做。就整个市场来看,专业BMS厂家的市场份额会超过60%,其余的则是PACK厂家、锂电池厂家以及整车厂家占有。随着电动汽车的出货量不断地增长,BMS专业企业也将迎来随着电动汽车一起爆发式的增长。随着电动汽车的保有量不断地增加以及存量的时间拉长,BMS存在的一些潜在问题和风险将会逐步显露出来,一些没有核心技术和核心算法的公司将会逐渐淘汰出局。要做好关乎汽车安全的BMS的技术比壁垒还是有一定的高度。

BMS的市场增量主要来自两个方面,其一是随着电动汽车的飞速发展,特别是产销量的持续增长,对汽车用BMS的需求将在很长一段时间将是一个增量市场。再就是以往以铅酸电池为动力电池的低速电动车市场,这块随着国家政策的逐渐清晰,锂电化必然是趋势,这块的市场需求更是巨量的。再加上其他锂电替换铅酸的领域,未来整个BMS市场乐观估计会超过每年100亿元的需求量。
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[摘要] BMS的市场增量主要来自两方面,对汽车用BMS的需求在很长一段时间将是增量市场,再就是以往以铅酸电池为动力的低速电动车市场。
最近有投资机构在向本人询问BMS投资这块的问题,处于风口上的BMS专业厂家科列技术更是在新三板的估值超过30亿元,资本市场对其关注度只增不减。在此本人查阅了一些资料,以及对市场的预测,对BMS的重要性以及相关技术做了一些阐述,还请这块的大牛们多多拍砖。BMS作为电动汽车的一个核心部件之一,整个新能源电动汽车产业的蓬勃发展给这块的投资带来了机遇,同时也充满了风险和挑战。BMS的重要性

电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)简称BMS,主要功能就是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。对于电动汽车来说,BMS系统肩负着很重要的责任,是电池的核心管家。特别是近几年电动汽车推广的过程中出现的锂电池起火燃烧安全事故,更是把电池管理的安全性提高到前所未有的高度,甚至把电动汽车这个行业推到了风口浪尖。电动汽车电池在使用过程中最大化的发挥经济效益以及安全的保障车辆的运行,BMS系统起到了关键的作用。

在电动汽车整车中,BMS所占有的成本不是很高。主要有这么几个作用,估测电池的荷电状态,检测电池的使用状态,管控电池的循环寿命。在充电过程中对电池的热管理,启停锂电池的冷却系统,同时也管理单体电池之间的均衡,防止单体电池过充过放产生危险。再就是监测整个电池的健康工作状态。

锂电池的与BMS

要彻底了解BMS的工作原理和其重要性,还要从BMS管控的锂电池说起。锂电池主要是指以锂离子嵌入化合物为正负极材料的一类电池。一般常见的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴铝酸锂(三元锂)、钛酸锂等材料,每种材料的特性也都不一样。负极材料一般是石墨,目前也在研究石墨烯材料应用于锂电池的负极材料中,电解液用的比较多的是六氟磷酸锂。锂电池的充放电可以用下图来表示。由于电解质为有机溶剂,属于非导电体,在工作的过程中不会出现像铅酸电池那样的电解液导电现象,所以能够承受大电流充电,实现快充功能。

当然不同的正极材料和负极材料以及电解液做出的锂电池所表现出的电池特性是不一样的,例如三元锂电池和磷酸铁锂电池的外在开路电压,内阻值,放电倍率以及环境温度适应能力都是不一样的,对于BMS来说SOC的估测更是没有一套放之任何锂电池而皆准的标准算法。从锂电池的内部说起,看看BMS对于锂电池的重要性。


铅酸电池出现过充的时候会出现电解水的反应,那么问题来了,如果锂电池出现过充或者是过放电将会产生什么现象呢?当充满电之后,锂离子大部分会嵌套在石墨上面,当石墨中所嵌入的锂的含量超过了它所承受的范围,那么多余的锂离子就会和负极中穿梭而来的电子结合,在负极表面上开始沉积,形成锂枝晶体。而且锂枝晶主要沉积在隔膜和负极的接触部位,生长的方向是沿着从负极→隔膜的走向,而这个方向很容易刺穿电池隔膜,一起电池内部短路,小则影响电池放电效率循环寿命,大则会危害电池的安全,造成起火等安全隐患。BMS就需要在任何情况下保障电池不能过充,及时准确判断电池的电荷状态,当充电器或者是充电桩对电动汽车充电到一定程度,即电池的电量达到一定范围上线电则立即断电保护电池。

当电动汽车充满电进行工作,理论上能将电池中存有的电量彻底释放完毕,达到电动汽车的最大续航里程。但是出现这样的情况对电池显然是不利的特别是使电池的循环使用寿命大大缩短。释放电量究竟要释放到剩余电量到多少就停止,这就是BMS的另一个功能,准确估测电池的荷电状态 (State of Charge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内。

在经典的电工学里面,电池的模型实际上就是一个理想电压源和一个电阻的串联,这个串联电阻也就是电池内阻。锂电池在生产的过程中,要求这个内阻越小越好,然而,内阻目前只能更进一步减小而不能从根本上消除内阻,而且这个内阻对于每个电池单体来说很难做到一致,只能在一定的范围之内。再加上生产工艺的控制,等因素的影响,每个单体电池的性能会存在一定的细微差异。电池只要是存在使用就会造成内阻对系统的影响,如充满电时候所表现出来的开路电压的细微差异。这就要求BMS对每个单提电池的细微管理,尤其是管理算法就显得更为重要。在电动汽车动力电池大电流充放电的情况下(快充、电机过载),内阻的存在会造成电池的过热,如果BMS没有及时有效的进行管控或者是出现失效状态(软件失效或者使硬件失效),不管是对电池还是对整车将是致命性的危险,甚至引起车体燃烧。

不同的电池参数和不同的电池材料所形成的单体电压时不一样的,BMS的进行电池管理的时候必须要有针对性,进行相互匹配。内在的控制算法更是发挥电池最大价值的核心所在。在整个使用过程中最基础的是电动汽车的安全性,能够保证BMS 在任何环境下都能够稳定可靠的工作软件的有效性和硬件的有效性,等等这些性能都是目前BMS专业企业所要做的工作。

BMS的工作原理与技术核心

对于BMS的技术,目前各大芯片厂家都推出了自己的解决方案,以及针对性的底层芯片,供厂家进行二次开发。常用的主流方案以及芯片有这么几个大的厂商,TI(德州仪器)、ST(意法半导体)、ADI(亚德诺)、ATMEL(艾特梅尔)、Infinen(英飞凌)、Intersil(英特矽尔)、Linear(凌力尔特)、Maxim(美信)等厂家。国内的BMS企业都是在此基础上进行二次开发,包括硬件设计,软件的搭建等。在很多年前这些厂家都已经进行过方案的验证和仿真。

在对电池的管理目前有主动式均衡管理和被动式均衡管理。两种管理模式各有优缺点,所采用的方式普遍为采集单体电池电压,串联电流,以及温度以及电池组的电压,然后将这些信号传给运算模块进行处理发出指令,最后将整个处理的信息指令通过CAN通讯系统传送给汽车中央控制单元或整车VMS系统。其组成主要由数据采集电路、电子控制单元(ECU)和通讯电路组成。总体分为硬件部分和软件部分,在硬件部分主要是在设计的时候考虑到硬件寿命使用冗余量等等硬件设计,保证整个BMS模块在使用的时候不会出现硬件的故障。在软件方面其最核心的技术在原SOC的估测算法,电动汽车动力电池的电荷状态估测是BMS控制算法的核心所在,直接影响到电动汽车的使用寿命和运行稳定性状态。

电动汽车使用的环境比较复杂,使用工况的不一样,电池的放电倍率的不一样都会影响到BMS对电池SOC的估测判断,再就是随着电池的循环使用,电池自然寿命的减少造成SOC的自然减少也会更进一步影响到BMS的判断。BMS对动力电池SOC的估算精度特别的重要。精度越高,对于相同容量的电池,可以有更高的续航里程。所以,高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的电池成本。而高精度的算法更是国内广大BMS专业厂家要去下功夫解决的问题。例如汽车持续的上坡,持续大电流放电,此时因为电池内部锂离子的扩散需要时间,造成单体电池电压快速降低,而对于SOC的估算更是一个不容易解决的问题。

对于BMS的控制保护机制所占用的控制单元CPU的资源并不是很多,但这并是说保护机制就不重要,保护机制的控制稍微比较简单,毕竟没有涉及到复杂的算法。而在核心方面SOC的估测,每一种状态和工况所需要的算法都不一样,比如下坡的能量回收,上坡时候的持续大电流放电,平坦路面的的持续行驶,糟糕路况的持续行驶,以及频繁的起步刹车路况。如果整个过程只采用以往的单体电池电压检测和电流时间积分来进行判断将会出现很大的估测误差。显然针对不同的工况需要建立不同的物理模型进行计算,甚至会涉及到数学物理方法里面的各种边界条件计算,这也不是简单的CUP能完成的任务。

总之对于一个好的BMS系统企业来说至少要达到这些条件掌握电池SOC核心算法;掌握健康状态SOH估算;掌握高效的均衡管理技术,先进的散热机制;掌握业内领先的高精度测量技术;可选配多功能数据记录仪等附加功能。在安全的性能方面要满足:电池安全管理多级故障诊断保护;高压安全管理;电池电压采集模块具备回路过流、短路保护等安全机制,电路更可靠;在通讯系统传输过程中满足EMC要求EMI要求,保证数据传输不会受到干扰而出现错误指令。在充电接口上符合标准规范:支持充电国标GBT 20234-2015及GBT 27930-2015;支持各种协议和故障诊断协议,能够在线对协议进行修改。

电动汽车的发展使我国的BMS技术与国外的BMS技术存在的差距并不是很大,国内依然有表现不俗的专业厂家。在目前来看国内BMS厂家比较多自身技术水平也参差不齐,这得益于电动汽车市场属于一个增量市场,处于飞速上升阶段。未来的情形一定使掌握有核心技术的厂家将引领市场的发展和规范。

BMS的市场潜力

从下游整车厂的反映来看,BMS市场由动力电池企业、PACK企业及BMS企业来把控。整车厂更愿意以签订技术协议的方式整体采购电池组+BMS。究其原因,整车厂不愿意花精力去做BMS主要是基于这么几点:1、BMS占整车成本较小,涉足该领域不合算;2、电池组分开采购,BMS作为电池安全管理系统,一旦出现问题,就会出现“扯不清”的情况;3、BMS与电池须高度匹配,电池材料、电压、温度等不同,BMS方案就会不同。在不了解电池的情况下,整车厂去做BMS没有任何优势。

由于市场上电池的型号,材料等等存在多样性,BMS的匹配更是需要进行专业的匹配。对于电池厂家来讲,除非电池的出货量足够大,才有会考虑自己去做BMS,然而随着锂电池厂家产品线的丰富和产品的多样化策略,电池厂家的BMS业务依然会放下归专业的公司来做。从近几年的释放份额的分布上来看就能反映出来。

目前BMS的提供商主要集中在专业BMS厂家如科列技术、亿能电子、妙益电子、冠拓等专业厂家,毕竟专业的事还需要专业的厂家来做。就整个市场来看,专业BMS厂家的市场份额会超过60%,其余的则是PACK厂家、锂电池厂家以及整车厂家占有。随着电动汽车的出货量不断地增长,BMS专业企业也将迎来随着电动汽车一起爆发式的增长。随着电动汽车的保有量不断地增加以及存量的时间拉长,BMS存在的一些潜在问题和风险将会逐步显露出来,一些没有核心技术和核心算法的公司将会逐渐淘汰出局。要做好关乎汽车安全的BMS的技术比壁垒还是有一定的高度。

BMS的市场增量主要来自两个方面,其一是随着电动汽车的飞速发展,特别是产销量的持续增长,对汽车用BMS的需求将在很长一段时间将是一个增量市场。再就是以往以铅酸电池为动力电池的低速电动车市场,这块随着国家政策的逐渐清晰,锂电化必然是趋势,这块的市场需求更是巨量的。再加上其他锂电替换铅酸的领域,未来整个BMS市场乐观估计会超过每年100亿元的需求量。
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