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楊紅新:疊片和無鈷電池將成為基礎性的未來趨勢

2020-08-14 10:21 性質:轉載 作者:第一電動圈 來源:第一電動圈
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那么這張圖是我們公司畫的,其實整個行業也差不多。這張圖有一個特點,越向上的能量密度越高。另外一個特點是,不管是鐵鋰、無鈷、磷酸鐵鋰、四元、三元、固態,在能量密度提高的同時,鈷的含量都在想辦法向下降。從最早的111到523,到6系7系8系,現在NCMA和NCL做到9系的,鎳的含量一直在上升,鈷的含量一直在下降,人類在追求去鈷化和無鈷化上的努力,一直在做各種各樣的功課,從來沒有停止過。在能量密度提升的同時,它的價值是巨大的,它可以釋放大量的車內空間。我們知道有的電動汽車為了把電池塞進去,坐到后排以后,就像坐小板凳一樣,腿是非常難受的,軀干角非常不合理。如果我們能量密度提高了,電池可以做矮做窄,又可以實現標準化,這絕對是未來永遠追求和努力的方向,就是提高能量密度。但是路線確實不一樣,也會分場景進行應用。磷酸鐵鋰有它的場景,無鈷有它的場景,811有它的場景,場景不同,但是在去鈷這條路上是相同的。我這里面寫的無鈷指的是高能量密度電池的無鈷,磷酸鐵鋰也沒有鈷,但是它是低能量密度電池的無鈷,我們后面說的無鈷電池都是指的高能量密度的。

那么前面講到的是材料,我們再講講工藝,工藝現在軟包電池公司都是疊片的,其他的大部分都是卷繞的,其實各有優劣勢,不是誰對誰錯,但是我們還是要看未來,未來客戶到底需要什么。回到剛開始說到的話題,客戶需要的是長壽命的,客戶需要的是越小越好的,客戶需要的是功率性特別好的。就是所有不合理的要求,合理的要求,他都要你滿足。那么卷繞工藝,在經歷這么多年的發展之后,遇到了很大的瓶頸,疊片工藝先天上有很大的優勢。比如能量密度的提升,比如穩定性,比如說極耳數量多一倍,工藝性更好,所以疊片工藝是非常有前途的。尤其是當我們把電池的尺寸越做越大的時候,我們知道最早VDA,后來是590模組電芯,220的,現在比亞迪出的刀片是更長的,574這個尺寸,它和590標準模組可以兼容,這個電芯既可以用無模組在電池包里布置,又可以把它裝到590模組里,兼容性非常好。但是電芯做得越長,其實能量密度越高,成本越低,因為疊片,每疊一個小的片進去,和每疊一個大的片進去,疊的活性物質的量是不一樣的,所以越大,生產能量的效率就越高。同時,越薄的電芯,散熱性更好,做針刺的話,容易通過。那么疊片是最適合電池的工藝的。當然還有極耳數量增加了一倍,它的內阻可以增加10%,功率也可以得到提升。還有能量密度,空隙都可以填滿,還有界面是非常良好的,卷繞不會出現左邊的S變形,包括邊緣位置的斷裂產生的紋路,所以從安全性能上來講,疊片也是非常好的。另外就是膨脹,它初始膨脹力和中器后期膨脹率率卷繞的,所以對模組的壓力也會更小,也會提高安全性。疊片和無鈷,一個是工藝制造角度,一個是材料成本和安全性角度,是基礎性的未來趨勢,可以滿足對成本,對效率、對功率、對壽命各方面的要求。鈷這個產品,確實是非常非常重要的,每年都有人會起訴蘋果公司,會起訴特斯拉,說他們使用的鈷來源不干凈,這也成為整個行業非常痛的和不可回避的問題。鈷的儲量這么小,只有710萬噸,而且還特別集中,只有幾家公司可以制造生產,特別容易被操控。電動車單車用量又非常大,Model S已經用了9系高鎳電池了,但是單車用量還要消耗掉13.68公斤的鈷,所以鈷這個問題不消除,肯定是不符合未來電動汽車發展的趨勢。

大家都知道要去掉鈷,或者把鈷減少,但是技術的挑戰確實是非常多的。其實沒有鈷的,高能量密度的電池的理論,在20年前日本的學者就提出來過,但是這么多年來,要不就是大家投入精力少,要么就是技術沒有做得很好,沒有解決鋰鎳混排的問題。如果8%-10%鋰鎳混排不能解決的話,產品穩定性、倍率性都是非常差的。解決方案有很多種,經過很長時間的摸索,包括我們也做了很多年的摸索,從增加鎳的含量,包括一些技術等等,來提高它的穩定性。總體來講就是提高陽離子模式摻雜、單晶,太專業的就不在這里講了。從測試數據來看,新鮮的電池,就是剛剛生產的電池的鎳混排可以控制在3.5%左右,是非常低的。那么循環到后期的電池,鋰鎳混排控制在小于5%以內,是很好的解決了前面提到的鋰鎳混排的問題,同時金屬溶出這個問題,也是無鈷電池必須要解決的。從右邊的這個圖上來看,跟811對比,我們的鎳、錳的溶出率都小于811的材料,所以循環壽命和穩定性都是非常好的。而且我們做了2噸電池的測試,已經量化了。從產品上來看,無鈷材料、無鈷電池一定要是高能量密度的才可以,如果能量密度過低就是磷酸鐵鋰,沒有價值了。它的能量密度一定要接近811的水平,同時是安全的,比7系的三元更安全,循環壽命好,成本還要低。還是回到剛開始說的,客戶什么都想要,我們就做一個什么都能滿足他的要求的產品。從實際數據來看,這些目標都已經滿足了。這是我們的動力性的測試,唯一一個還有問題,就是第一張圖,20%的SOC下,就是DSOC下的功率性能是偏弱的,因為沒有鈷以后,它的內阻在低溫下會偏高。我們也在做解決方案,在測試。其他的功率性能都是挺好的,包括零下30攝氏度的低溫性能,還可以支持70%的續航,包括零下20攝氏度的低溫充電,界面保持得非常好。還有高溫循環壽命,可以超過1200次,常溫循環壽命1C1C,我們100%可以超過2500次,811只能做到1500次。針刺我們做的不是刺穿的,是按照歐洲客戶要求做的淺刺,歐洲客戶要求,刺穿三層電極,只要不起火,不爆炸就算可以,我們刺穿了六層,右邊的圖片來看都是非常好的。還有150度的熱箱,高能性能也是高鎳材料最害怕的,我們也順利的通過了150度熱箱的測試,還有140%的SOP的過充,還有外部短路,包括一些其他的測試數據。以上講的是無鈷材料的進展,大家都說無鈷材料這么難,真的可以量產嗎?現在可以負責任地告訴大家,肯定可以,明年6月份我們就會把無鈷的電芯推向市場,裝車,裝到車上銷售。那么無鈷還有一個問題,就是它的內阻是偏高的,如果把疊片技術用上,可以再降低它5%的內阻,所以疊片加無鈷,這兩種技術的結合,既可以發揮無鈷的優勢,又能解決無鈷的痛點。那么我們在把它做成長電芯,做成薄電芯,L6的長電芯,大概將近600毫米長,做成右邊的無模組的LCTP的Pack,我們叫矩陣式Pack,一個電池包里放兩臺電芯,沒有模組。它的能量密度,比傳統的設計提高了9%,空間利用率提高了17%,電量提升了24%。長城一款采用這種布置形式,無鈷、無模組的電池可以做到880公里續航,同時也可以做成有模組的,就是裝到MED590的模組也可以,兼容性非常好。以上就是我關于對未來電池技術路線的一些分享,不管怎么樣,安全、壽命、能量密度各方面的追求,都是沒有止境的。現在我們電池企業,整車企業,對于電池機理的了解還是非常膚淺的,電芯到底為什么突然會自燃?為什么會突然熱失控?機理是什么?我們現在都沒有辦法完全弄清楚,當然我們有比較初步的認識,但是還沒有做到研究透,如果真的研究透了,缺陷就可以避免掉。所以我們現在也在做一些研究工作,就是在極低的溫度下,零下160攝氏度,用液氮冷凍熱失控的步驟,在電芯剛剛產生內短路和產生的初期和后期,把它凍住,然后瞬間把它靜止,看它的界面,看它的機理等等,這只是其中的一個研究。目前我們對電芯這個行業的研究,還需要不斷地努力和提升。未來的方向,我們希望通過蜂巢能源,通過孚能、力神,我們共同努力,把滿足客戶的動力電池的技術,不斷推向前進,不斷滿足客戶的需求,我的分享就到這里。謝謝大家!

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