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TSLA為何改用2170?三元鋰電池有什么優勢

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年08月17日  

18650號電池曾是特斯拉的傳奇,如今隨著Model3量產下線,18650號電池歷史使命卻即將終結,特斯拉所有車型可能會全部替換為2170號電池,那么其背后原因是什么?


1、鋰離子電池構成及分類?


鋰離子電池指的是電化學體系中含有鋰的電池,大致可分為鋰金屬電池和鋰離子電池,鋰離子電池由于不含金屬鋰和可充電的屬性得以商用,就外形而言分為圓柱形和方形,重要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜材料四個部分構成。


鋰離子電池因正極材料及負極材料不同而被區分成不同種類的電池,如常用的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等,常用的負極材料石墨碳材料、錫基材料、硅基材料、鈦基材料等,其中鈷酸鋰是大多數鋰離子電池使用的正極材料。


2、鋰離子電池技術方向如何?


三元鋰離子電池又稱三元聚合物鋰離子電池,它指的以鎳鈷錳三元材料做正極材料,以石墨為負極材料的電池,其以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,里面鎳鈷錳的比例可以根據實際要調整,這是日韓等電池公司主攻技術方向;磷酸鐵鋰離子電池則是以磷酸鐵鋰為正極材料,石墨為負極材料的電池,這是比亞迪主攻技術方向;鈦酸鋰離子電池則分為兩種,一種是鈦酸鋰作為負極材料,可與錳酸鋰、三元材料及磷酸鐵鋰等正極材料組成鋰離子電池,這是當前珠海銀隆主攻方向,另一種則是鈦酸鋰做正極、與金屬鋰或鋰合金做負極組成鋰離子電池。


3、三元鋰離子電池優勢在哪?


三元鋰離子電池最大優勢在于電池儲能密度高,其儲能密度通常在200WH/kg以上,相關于磷酸鐵鋰的90-120WH/kg,更適合乘用車市場對續航里程的需求,但是三元鋰離子電池材料分解溫度在200℃左右,它會釋放氧分子,在高溫用途下電解液會迅速燃燒,引發電池自燃和易爆風險,因此它對電池管理要求很高,要做好過充保護(OVP)、過放保護(UVP)、過溫保護(OTP)和過流保護(OCP)等,因此三元鋰離子電池雖在我國純電動汽車乘用市場裝機比例高達76%,但是在電動大巴裝機量卻僅為27.6%,相反磷酸鐵鋰達到了64.9%。


4、特斯拉為何改用2170?


特斯拉采用的18650和2170號電池都屬于三元鋰離子電池,18650代表的是直徑18mm、長度65mm的圓柱形電池,2170號電池代表的則是直徑21mm、長度70mm的圓柱形電池,特斯拉18650號電池由于體積受限,無法通過工藝控制和原材料角度提高能量密度,降低電池成本,因而增大體積的2170號電池就成了必然選擇,在Model3率先使用后,ModelS和ModelX有望隨后進行更換。


馬斯克宣稱2170號電池是全球能量密度最高、價格最便宜的電池,其能量密度可高達300WH/kg,相關于18650的233WH/kg,能量密度提高了近20%,但是其電池系統成本為155美元/WH,相關于18650的171/WH,降價幅度有限,離馬斯克預設的目標100美元/WH還有很大差距,但無論如何還是往前走了一步,后續應該會在電池新材料做創新來降低成本三元聚合物鋰離子電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰離子電池,三元復合正極材料前驅體產品,是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,里面鎳鈷錳的比例可以根據實際要調整。


安全性是重中之重


三元鋰離子電池的特點是能量密度大,電壓更高,所以同樣重量的電池組電池容量更大,車子跑的距離也就更遠,速度也能更快。但是其弱點在于穩點性較差,假如內部短路或是正極材料遇水,都會有明火出現。所以一般18650電池都會有一層鋼殼保護,由于特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成,所以,雖然特斯拉給電池組進行了全方位的保護,但是在極端的碰撞事故中,起火隱患還是有的。


之所以這樣,原因是兩種材料在到達一定溫度時發生分解,三元鋰材料會在更低的200度左右發生分解,而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學反映更加劇烈,會釋放氧分子,在高溫用途下電解液迅速燃燒,發生連鎖反應。說簡單點,就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過要注意的是,我們提到的是材料,而不是已經成為成品的電池。


磷酸鐵鋰離子電池則要穩定許多,電池板就算是穿刺、短路也不會爆炸燃燒,遭到350℃的高溫也不會起火(三元鋰離子電池在180-250℃就扛不住了)。所以在安全性能上,磷酸鐵鋰離子電池略勝一籌。


正因為三元鋰材料有這樣的安全隱患,所以廠商也在努力往抑制出現事故的方向走。根據三元鋰材料容易熱解的特性,廠商在過充保護(OVP)、過放保護(UVP)、過溫保護(OTP)、過流保護(OCP)這幾個環節上都會下不少的功夫。特斯拉之所以關于安全性有信心,就是因為它有一整套電池管理系統,能夠將活性更高的三元鋰離子電池管理地更好。當然,伴隨著越來越多的電池公司、車企還有專業的電池管理公司在這個領域的不斷研發,更多的公司也能做到優秀的電池管理,將安全性大大提升。


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