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新能源行业的“新材料之王”

2020-08-26 10:29:48 

在新能源汽车和充电设施领域,越来越多的新技术和新材料被应用,无卤阻燃剂厂家来聊聊前一段时间曾被热炒的石墨烯和我们似乎熟悉但又陌生的塑料。

一、动力电池仍然是新能源汽车的核心

电动汽车的需求不断增长以及对节能的需求推动对更持久、更便宜的电池的发展。到目前为止,我们一直在使用基于锂离子的电池,自 2000 年混合动力汽车问世以来,这些电池已得到了显着改善。与汽油和柴油发动机的研发以继续提高效率的方式相同,我们预计电池的研发将导致生产成本下降和整体性能改善。锂离子技术领域已取得了快速进展,许多替代化学元素正在接受测试。

自 2000 年代初以来,电池科学家一直在通过使用不同比例的钴元素来开发效率更高的电池。然而,当前和未来的供应问题已使得降低电池中的钴含量成为关键优先事项。到 2030 年,电动汽车的产量预计将超过目前的钴开采和加工能力。这种前景使汽车制造商争相确保原材料的长期供应。特斯拉采取了不同的策略,承诺消除其下一代电池中的矿物质。

找到电池材料的最佳组合的挑战是所有材料都具有特定的特性和权衡。例如,一种主要的锂离子电池组使用由镍、锰和钴的混合物制成的所谓的镍锰钴阴极。一般而言,镍增加了容量,锰带来了安全性,钴的量决定了电池可以充电和放电的速度。因此,通过增加容量(即增加镍,减少其他镍的消耗)会牺牲安全性和充电速度。其他类型的锂离子电池包括相对便宜且经久耐用但能量密度低的磷酸铁锂电池,以及可容纳大量能量的镍钴铝氧化物电池(由松下/特斯拉使用),但价格昂贵且安全性较低。

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二、 固态电池的重大发展

无卤阻燃剂厂家认为与当今常用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同,固态电池是使用固态电极和固态电解质的电池。由于一般科学界认为锂离子电池已从整体性能角度达到其极限,因此近年来,固态电池和石墨烯电池已被视为可以继承锂离子电池地位的电池。固态锂电池技术使用由锂和钠制成的玻璃化合物作为导电材质,代替了以前的锂电池的电解质,并大大提高了锂电池的能量密度。

固态电池和其他下一代电池已经开发了数十年,进展缓慢且从根本上来说是不确定的。其中一些有希望比锂离子电池具有更大的存储容量(以千万/千克计),是它们在实用性和大规模生产准备方面仍然面临相当大的障碍。在这种新一代电池中,从大众市场的角度来看,固态电池似乎最有前途。它们使用固体电解质代替易燃液体,这使电池更安全,并且由于固体层比液体层占用的空间少,因此它还可以增加能量密度。由于这些原因,固态电池已经在起搏器和其他关键应用中使用。但是到目前为止,它们对于电动汽车而言过于昂贵。挑战之一是找到一种将超薄固体电解质层施加到电极上的方法,即使在充电和放电过程中电解质溶胀和收缩时,该电解质层仍能保留在原位。在这个电解质层之外,逐个原子地沉积这样的层在技术上是可行的,但是非常耗时,因此难以实现规模经济和成本降低。

从理论上讲,摆脱液体电解质应使固态电池的制造成本更低,使用寿命更长且具有防火性。它们也不需要液体冷却,因此将会减轻车辆的整体重量。

固态技术的最大好处是改进的“能量密度“,即相对于重量和体积,它可以容纳的电荷量。

然而,固态电池的最大挑战仍然是技术上的,限制了商业可行性。例如,对于大型电池组中有效地导电的电池固态部分,确定统一的材料已被证明是开发人员面临的主要挑战。金属锂因其高容量潜力和稳定性而被认为是固态电池的主要材料。麻省理工学院的研究人员已经确定了一种制造更薄的锂电解质的方法,这种电解质可以实现更快的充电速度和更高电压的固态电池。在下一个十年末之前可能无法完全实施,但与此同时,锂离子电池中添加硅的能量密度正在得到解决,这可能是一个可行的临时解决方案。

就运输而言,在未来十年内,单次充电的车辆续驶里程不可能大幅度提高。对于较重的车辆(例如,卡车和公共汽车),可能需要其他策略来覆盖更长的距离(例如,在途中进行快速充电,可能是在特定的路段行驶时,使用架空电线或路面上的感应充电器)。电池容量的限制(以及长期成本降低)为氢(燃料电池)技术打开了机会之窗。

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三、燃料电池的未来机遇

许多可再生技术依赖于相对稀缺的资源,并且对诸如钴和镍之类的金属也存在争夺。在这一行业领域,道德采购也将越来越重要,这将进一步限制原始矿物的供应。潜在的受益者包括政治稳定且管理良好的地区的采矿公司以及电池回收设施。

燃料电池是通过电化学反应而不是燃烧来发电的装置。在燃料电池中,氢和氧结合在一起产生电、热和水。燃料电池系统是清洁、高效、可靠和安静的能源。燃料电池不需要像电池那样定期充电,而是只要提供燃料源就可以继续发电。

虽然与锂电池电动汽车相比有许多优势,但燃料电池电动汽车仍存在很多缺点,其中包括:(1)加油地点稀少;(2)虽然给氢汽车加油的成本与传统燃料相似,存储或移动氢本身以及技术研发的成本很高;(3)消费者对爆炸风险的担忧也是一大障碍。我们看到私营部门的机会有限;只看到一些公共部门的需求,例如公司的公共汽车和卡车。

四、锂电池的竞争格局

宁德时代、松下、LG 化学、比亚迪和三星 SDI 是排名前五的电池制造商。无卤阻燃剂厂家分析从外包装的角度来看,圆柱,方形和软包装这三种主要的电池包装模型各有优缺点。

1、松下是高单能量密度电池的领导者

松下从早期进入单高能量电池领域,在对钴元素的广泛应用和高端市场地位(一直为特斯拉汽车提供电源)开始一直是这一领域的领导者。

2、宁德时代最新的 CTP 科技

宁德时代的优点在于后端过程中使用本地化的设备,而前端设备也在加速本地化。它叠加了人工成本和出色的管理能力的优势。

宁德时代也刚刚介绍了其电芯到包装(CTP)电池的开发计划。新的 CTP 平台旨在改善电池组的开发,将电池组的能量密度从 LFP 的 180 瓦/千克增加到 200 瓦/千克。

CTP技术的关键数据如下:宁德时代的目标是将质量相关的能量密度提高 10-15%,对于体积相关的使用效率,宁德时代声称提高了 15-20%。这意味着更多的能量可以存储在相同的电池空间中,而整个电池也变得更轻。这样就减少了 40%的组件。

就电池组而言,这些改进意味着能量密度为 200 瓦/千克,而不是目前的 180 瓦/千克。在电池单元级别,宁德时代已经实现了 240 瓦/千克的能量密度。公司 2024 年目标是 NCM 的能量密度达到350 瓦/千克。

3、 LG 化学具有最广泛的高端客户群

LG 和宁德时代具有最广泛的客户群。LG 已经基本覆盖了大多数海外高端汽车公司。宁德时代在国内市场上的份额超过 50%,并已进入大众汽车、宝马、奔驰等高端汽车公司在中国的合资企业的供应链。从产能的角度来看,宁德时代和 LG 在全球扩张方面非常活跃。

93 千瓦时的电池组来自德国供应商德科斯米尔,而韩国的 LG 化学提供电池。Taycan Turbo S 和Taycan Turbo 中使用的两层超能电池 Plus 包含 33 个电池模块,每个模块由 12 个单独的电池组成(总共 396 个)。总容量为 93.4 千瓦时。细胞本身是所谓的软包电池。在这种电池类型中,电极堆不被刚性壳体包围,而是被柔性复合箔包围。这允许最佳地利用可用于电池的矩形空间并减轻重量。

奥迪与欧洲的梅赛德斯·奔驰和捷豹路虎一起,从供应商 LG 化学采购电池,后者在波兰生产电池。LG 化学多年来一直是奥迪的合作伙伴,该汽车制造商在许多插电式混合动力车型中使用韩国制造商的电池。但是,LG 化学并不是唯一的奥迪电池供应商:虽然 e-tron 55 quattro 的电池由 LG 电池组成,而 e-tron 50 quattro(及其 Sportback 电池)则使用三星 SDI 的电池。

e-tron 由一个 95 千瓦时的锂离子电池供电,该电池由 36 个电池模块组成,每个模块有 35 个袋式电池,共有 1,260 个单个电池。

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4、比亚迪在磷酸铁锂电池发展有最好的记录

比亚迪凭借其在磷酸铁锂电池领域的早期进入,凭借其著名的全球电动公交网络在全球范围内或作为机场班车使用,已成为中国新能源汽车发展的领导者。虽然人们越来越多地涉及钴的镍锰钴电池领域,但磷酸铁锂电池仍然是比亚迪的专业技术。

无卤阻燃剂厂家分析,比亚迪最近正式推出了其全新的刀片式电池。刀片式电池本质上是磷酸锂铁电池,但是采用了一种新方法,可以显着提高安全性和体积能量密度,并降低成本。

按照惯例,电池组体积中只有大约 40%是电池(单电池占模块的 80%,模块占电池组的 50%)。对于新的刀片电池方法- CTP 技术–电池占电池组体积的 60%,这是 50%的提高。

为了证明这种新电池的安全性,比亚迪使用了包括 NCM、磷酸铁锂电池和刀片式电池在内的钉子穿透测试,其中刀片式电池被穿透后既不冒烟也不着火,其表面温度仅达到 30 至 60 摄氏度。

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