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技術干貨丨兩輪電動車鋰電化,磷酸鐵鋰王者歸來

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技術干貨丨兩輪電動車鋰電化,磷酸鐵鋰王者歸來

發布日期:2021-01-19 作者: 點擊:

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    兩輪電瓶車的鋰電化趨勢不可逆轉,錳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰爭搶銷售市場,哪一種材料將獲得最高的市場占有率?

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01

鋰電池發展路經:


    在鋰電池行業,可反復充電的鋰離子電池(下文簡稱“鋰電池”),根據正極材料的差異,主要區劃為區劃幾類:


LiCoO2鈷酸鋰(LCO)、

LiFePO4磷酸鐵鋰(LFP)、

LiMn2O4錳酸鋰(LMO)、

LiNixCoyMn(1-x-y)O2鎳鈷錳LiNixCoyAl(1-x-y)O2鎳鈷鋁三元鋰(NCM/NCA)


    負極材料,大部分以碳材料為主,近些年逐漸往硅材料發展,因此 鋰離子電池行業不以負極材料作為電池類型區劃的根據(鈦酸鋰電池除外)。


    本文不論述鋰離子電池的工作原理,僅讓大家知道鋰電池的種類及特性,普及化一些基礎知識。

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1

鈷酸鋰(LCO)電池

    1991年,日本索尼公司將可反復充電的鋰離子電池規模性商品化,把幾節鈷酸鋰18650圓柱形鋰離子電池裝進索尼新款的CCD-TR1攝影機里,改變了世界消費類電子設備的商業生態。


    自此以后,以鈷酸鋰(LCO)作為正極材料的鋰離子電池獲得了迅速的商品化普及化,規模性運用到手機、MP3/MP4、手提電腦、藍牙設備、平板電腦、電動工具等各種便攜式電子設備。


2

磷酸鐵鋰(LFP)電池

    1996年Padhi和Goodenough(古迪納夫)兩人發覺具備橄欖石構造的磷酸鐵鋰(LFP),比別的的正極材料更具有穩定性,磷酸鐵鋰作為鋰離子電池的正極材料,真正踏入了大家的視野。


    2001年,加拿大的Photech首先實現了磷酸鐵鋰材料的批量生產,緊接著美國的Velence公司發覺了碳包覆和碳熱還原技術,使得磷酸鐵鋰材料的使用性能獲得更進一步提高。

緊接著,美國的A123公司(已被我國的萬向集團收購)發覺了離子摻雜和納米化技術,提高了磷酸鐵鋰的導電性,磷酸鐵鋰電池得到規模性商品化。


    2004年,磷酸鐵鋰材料引進我國,鑒于其特有的熱穩定性和安全性能,尤其適用新能源汽車行業,獲得了比亞迪的大力發展運用,并獲得了國軒高科、力神、寧德時代等企業的緊跟。


3

錳酸鋰(LMO)電池

    對錳酸鋰原材料(LMO)的科學研究,要遠早于磷酸鐵鋰(LFP)原材料,1975年,三洋公司在過渡金屬氧化物電極材料獲得攻克,Li/MnO2一次電池研發取得成功,用在CS-8176L型計算器上。


    尖晶石型錳酸鋰LiMn2O4是Hunter在1981年最先制取的具有三維鋰離子通道的正極材料,自此始終受到普遍科學研究。

錳酸鋰原材料(LMO),鑒于成本費用便宜,熱穩定性高、耐過充特點好、高工作電壓的四大特點,是鋰電池新產品研發的熱門。


    在海外,2007年成立的日本AESC公司(已被中國的遠景新能源收購)就主攻錳酸鋰原材料,其制造的錳酸鋰電池,從2009年開始大批量安裝在日產leaf(聆風)車型上,截止到2020年底,全世界總銷售量約50萬輛。


    國內的盟固利、星恒電源等公司,在錳酸鋰電池方面也做了多年探尋,并在新能源汽車、兩輪電動車等行業完成了大范圍商業化運用。


4

三元鋰(NCM/NCA)電池

    1999年來自新加坡國立大學的ZhaolinLiu等人初次指出不同成分的三元層狀Li(Ni,Co,Mn)O2原材料,根據Ni-Co-Mn的協同效應,綜合了鈷酸鋰(LCO)循環特點好,鎳酸鋰(LNO)高比容量和錳酸鋰(LMO)低成本安全系數好的特點。


    本世紀初,歸功于對高能量密度、長壽命電池的需求量,以鎳鈷錳原材料(NCM)和鎳鈷鋁原材料(NCA)為正極的鋰電池獲得大范圍商業化運用。


    尤其是在追尋長續航里程的新能源汽車行業,NCM/NCA三元鋰電池獲得了大范圍普及化,特斯拉選用松下的NCA三元鋰電池,寶馬、大眾等公司選用了三星、LG的NCM三元鋰電池,國內的企業普遍走NCM三元鋰路線,寧德時代的NCM三元鋰電池,技術已經到達世界頂級水準。

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02

錳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰優缺點比較:


    在鋰電池的四大關鍵原材料中,鑒于鈷酸鋰(LCO)原材料當中金屬鈷的含量最高的,鈷是稀有金屬,產地集中,價格昂貴,所以鈷酸鋰電池的成本費用也是最高的的,只適合制成小電池,符合便攜式電子設備的需求量,不適合制成大電池,運用于動力和儲能行業。


    在大動力(四輪汽車)和小動力(兩輪/三輪)行業,錳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰都有大范圍的運用,根據仔細分析它們的優缺點,才可以把握未來的發展趨向。


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錳酸鋰(LMO)電池

    錳酸鋰原材料的突顯優越性是安全系數好、低成本。


    錳酸鋰不含金屬鈷,因此 原材料成本費用是十分低的,制備錳酸鋰的二氧化錳,儲藏量充足,分布廣泛,成本費用低廉,這對錳酸鋰電池的全面推廣有非常大幫助。


    次之,錳酸鋰的熱管定性好,高溫度下也沒那么容易分解和熱失控,安全系數好,尤其適用于對安全系數要求較高的動力行業。


    錳酸鋰電池的首要缺陷是高溫度特點差,循環壽命短,高溫度下容易發生正極材料的融解,造成電池的容量發生迅速下降,循環壽命迅速衰減。與此對應,錳酸鋰的低溫特點很好,在零下30℃仍能保持較好的活力,可進行充放電使用。


    因此 錳酸鋰電池不太適用溫度較高的南方地區,十分適用長期氣溫偏低,冬季寒冷的北方地區。


    此外,錳酸鋰的倍率特點好,也適用主打快充產品的市場,自然必需得解決散熱難題,否則循環壽命衰減太快,會造成充電速度越快,壽命越簡短。


2

三元鋰(NCM/NCA)電池

    三元鋰原材料的突顯優越性是比能量密度高。


    在三種原材料中,三元鋰的比能量密度是最高的,比如811原材料的三元鋰電池,單體能量密度可以達到300Wh/kg,幾乎是錳酸鋰和磷酸鐵鋰的雙倍,具有輾壓性的優越性。


    因此 三元鋰電池尤其適用于體積小、重量輕的應用領域,可獲得最高的能量存儲和最遠的續航里程,比如純電動乘用車、電摩等。


    三元鋰的低溫特點與錳酸鋰類似,在低溫下仍能保持較好的活力,而高溫度特點明顯好于錳酸鋰,在高溫度下工作,循環壽命不會發生迅速衰減。


    因此 三元鋰的工作溫度范疇很寬,可滿足南方和北方的各種天氣狀況。


    三元鋰原材料的突顯缺陷是成本高,安全系數差。


    由于鈷、鎳、鋁的價格都十分貴,因此 三元鋰原材料的價格自始至終只高不降,在民用級市場推廣存有非常大的價格弱勢。


    三元鋰原材料,在高溫度下的穩定性很差,遇熱容易分解并釋放氧氣,引起電池熱失控,發生燃燒或爆燃。


    鎳含量越高的三元鋰電池,能量密度越高,可是安全系數也越差,因此 能量密度和安全系數在三元材料上是十分矛盾的。

由于成本費用和安全系數兩個阻礙,三元鋰電池的應用有非常大的局限。


3

磷酸鐵鋰(LFP)電池

    磷酸鐵鋰材料的突顯優點是成本費用低、長壽命、安全系數好。


    歸功于其出色的熱穩定性和結構穩定性能,磷酸鐵鋰電池的安全系數顯著好于三元鋰。


    因為鐵元素儲藏量極大,磷酸鐵鋰的價錢是各種正極材料當中最實惠的。


    在循環壽命方面,磷酸鐵鋰也具備顯著的優點,儲能用的長壽命磷酸鐵鋰電池,循環壽命可以做好6000~8000次循環,動力用的磷酸鐵鋰電池,循環壽命也可以做好3000次左右,這一點是錳酸鋰和三元鋰無法相比的。


    磷酸鐵鋰的缺陷主要是低溫特性不佳,0℃以下充電困難,-20℃以下基本上放電也夠嗆了,這個缺陷導致磷酸鐵鋰電池不太適用北方地區的冬季運用,客戶體驗很很差。


    盡管也可以根據對正極材料和電解液完成改善,改善低溫特點,可是也會帶來成本的增多,并犧牲其他方面的特性。


03

誰可以成為兩輪電動車的王者:

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    根據上述解析,咱們對錳酸鋰電池、三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池做個量化的打分。按照百分制完成打分,評定標準是單項表現最優者為100分,將各單項完成累加,得到總成績。


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    從單項評估結論看來,磷酸鐵鋰拿了4個單項冠軍,三元鋰拿了兩個單項冠軍,錳酸鋰拿了1個單項并列冠軍。


    從總得分看來,磷酸鐵鋰的成績最高的(510分),次之是三元鋰(460分),末尾是錳酸鋰(420分)。


    磷酸鐵鋰電池,僅在兩個單項上面沒拿到首位,分別是能量密度和低溫特點。


    在兩輪電動車市場,能量密度并不是車廠和用戶要求的主要特性,因此并不構成磷酸鐵鋰電池推廣應用的阻礙。


    磷酸鐵鋰電池只要處理低溫運用短板,能做好-20℃充電,且-20℃放電容量維持率做好50%上述,就可以覆蓋北方絕大多數地區。而要做好這一點,實際上并不存在技術上的困難。


    從上述解析可以看得出,未來能夠占領兩輪電動車鋰電池市場頭部份額的,非磷酸鐵鋰莫屬。王者回歸,磷酸鐵鋰電池,不僅要在新能源汽車市場絕地反擊,也會在規?;瘶O大的兩輪電動車市場變成主宰。

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