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電池的發展 決定汽車電氣化的未來

2016-11-22 09:21:36 《汽車工程國際(AEI)》雜志

Anderman博士提出,“如今,嚴苛的二氧化碳限排規定逼得所有人都不得不開始行動,但問題是汽車廠商到底愿意拿出多少資金,投資一項可能沒有收益,或收益很低的項目呢”?

汽車電氣化的未來完全取決于電池的發展。如今,鋰離子電池的成本正在不斷下降,而且電池的能量密度、耐久性和可靠性均有所提升。電池行業的穩步發展讓一位電池行業專家非常吃驚,這位專家也立刻承認了自己在6年前的論斷是錯誤的。

電池行業獨立咨詢師Menahem Anderman博士是著名系列會議先進汽車電池大會(Advanced Automotive Battery Conference,AABC)的創辦人,也是SAE International混合動力/電動車技術研討會的常客。Anderman博士表示,“電池成本的下降速度完全超過了我的預期。不僅對我個人是這樣,很多日本大型電池生產商都是我的長期客戶,他們也沒有想到電池的成本會下降的這么快。”

2010年,Anderman博士在采訪了多家世界頂級電池/電池材料供應商及汽車廠商后,完成了一份具有里程碑意義的電池成本分析報告。他在與的采訪中表示,“很多人曾認為,整個行業需要10年時間才能將電池的成本控制在$300/kW?h之內,看看吧,現在這已經成為現實了。”

2016年AABC大會期間,國際清潔交通委員會(ICCT)的John German展示了針對電池成本對比的預估。

Anderman博士表示,只有將電池成本控制在$150-$100/kW?h之間,電動車才能真正在成本方面與傳統汽車抗衡,進而推動電動移動性的廣泛發展。為了實現這一點,我們仍有很多重要工作要做。Anderman博士解釋道,盡管能量密度有所提高,“但安全問題仍是電池性能提升中的最大阻礙。”他注意到,6年前的插電式混合動力車簡直是一個悲劇,大眾、奧迪、BMW和梅賽德斯的混動車需要“背負”兩套動力系統和一大塊電池的成本,但難以想象的是柴油卻仍是這些車型的首選動力來源。如今,由于混合動力系統的續航里程更高,一些德國廠商很愿意為各個車型推出混動版。

Anderman博士表示,“這些廠商明白,與純電動車不同,只要他們將混動車的定價控制在同等或略高于傳統汽車的水平,并在性能功能上增加一些內容,這些混合動力車實際非常好賣。”

大約一年前,Anderman博士曾根據大多數廠商的信息做出預測,插電式混合動力車的規模將高于純電動車。今年,Anderman的觀點并沒有改變。與續航里程在200英里左右的電動車相比,插電式混合動力車的功能性更高,那對于消費者而言,這就是更加實用的選擇了嗎?

“如今,嚴苛的二氧化碳限排規定逼得所有人都不得不開始行動,但問題是汽車廠商到底愿意拿出多少資金,投資一項可能沒有收益,或收益很低的項目呢?”Anderman問道,“插電式混動車的成本比常規車型高3000美元,那公司在行動前就會考慮這類車型為公司帶來的政策積分是否值3000美元。而目前,電動車的情況還尚不清晰。”

在內燃和電動車的推進系統之戰中,一方是采用了大量先進技術的高級內燃機發動機,比如日產2017款VC-T(上左)采用的可變壓縮比技術,和經過升級的尾氣處理系統;另一方是精密液冷高壓電池組,比如2017款雪佛蘭Bolt采用的電池系統。另外隨著產量的不斷提升,電池組的成本有望繼續下降。上左為日產VC-T的截面圖

Anderman博士認為,除了一些早期采用者以外,只有當電動車價格低于傳統內燃機車型時,才真正有可能賣出銷量。舉個例子,如果特斯拉最終不得不賠本出售Model 3,“那他們能堅持賠多久?特斯拉心里的算盤可能是借助Model 3累計大量電動車政策積分,然后再出售這些積分賺錢。”Anderman提出,“但這是一個危險的選擇,而且不是長久之計。”

Anderman博士表示,移動設備和電動車市場根本沒有可比性,因為“iPhone的火爆銷售是受到客戶需求的推動。”

優化鋰離子“系統”

對于各種電池創業公司在開發鋰離子電池時面對的困難和失敗,Anderman博士并不感到驚訝。他向工程師和相關投資者表示,現在我們真正的考驗不是研發,而是制造。

“我不在乎你最新款的電池陽極是什么樣子,陰極又是什么顏色。汽車電池行業的生存之道在于提高銷量、加快速度、降低缺陷率,以及降低成本。這就是松下及大多數日本廠商成功的原因。”Anderman博士表示,“有人告訴我,他們已經在實驗室中將電池密度提升了10%,但這根本沒有用。現在重要的是電池壽命、安全,以及在規模生產中降低成本的潛力。”

未來將出現新的“電池技術突破”嗎,正如1991年鋰離子化學電池的出現,或是更早時期鎳氫電池的誕生一樣?

Anderman博士解釋道,“鋰離子電池的優化速度比鎳氫電池要快。鋰離子電池的偉大之處在于它本身是一個系統,是一個融合了多種技術的集合。你可以隨便改陰極、陽極、電解質以及電池的形狀,但鋰離子電池仍是鋰離子電池。”

“我是一個務實的人。我分析了擺在面前的所有障礙,以及如果解決了這些障礙可以得到的收獲,然后我認為固態電解質在汽車電池領域并沒有太大潛力。如果一切順利,你頂多可以將性能優化不到50%,而且你還得面對制造和安全方面的挑戰。”

另外,考慮到規模和循環壽命的問題,目前Anderman博士也并不非常看好鋰硫電池在汽車行業中的應用。他認為,鋰空氣電池盡管經常受到媒體關注,但事實更像是“一種復雜的想象,而不是真正的燃料電池。只要你真正去了解這種技術,你就會發現鋰空氣電池的工作環境恰恰都是鋰離子電池應該避免的。”

鋰金屬電池的情況也一樣,“如果你把這種電池和鋰離子放在一起,問題就出現了,你也就失敗了。”

一些“超級電池工廠”可以大幅降低電池的生產成本嗎?比如特斯拉與松下位于內華達州Reno市附近的超級工廠。“你必須將總產量和一座工廠的當地產量區分開來,”Anderman博士解釋道,“目前,汽車電池行業的總產量為10-15 gW?h,而當總產量達到75到100 gW?h時,電池成本就會下降。里諾工廠擁有50條并行生產線,可以生產18650或2700系列電池,但相較于中國5到7座正在建設中的分散電池工廠,Reno超級工廠的影響力如何?我認為可能不是很大。”

前途光明的汽車電池研發

Anderman博士對硅/硅合成物的開發非常感興趣,比如特斯拉承認公司正在與松下合作開發一種新型電池。

如果將鋰離子電池標準石墨電極中硅的比例提高一個百分點,我們就有可能提高電池容量,從而降低電池的單位容量成本。然而,截至目前的相關研究均以電池包“發脹”和失敗告終。

特斯拉和松下的工程師開始將量產電池電極中硅的比例從5%提高至10%,采用硅/石墨電極的電池,已經成為電動車時代的“熱門選擇”。如今,特斯拉旗下專為2017款車型設計的P100D電池組售價1萬美元,據稱每次滿沖后的電量為100kW?h,高于目前Model S和ModelX采用的P90D(每次滿充后90kW?h)。

正如Anderman博士的行業分析結果所示,電動車的未來真的完全是取決于電池的發展。




責任編輯: 李穎

標簽:電池,汽車電氣化