在中國政府的大力推動下,國內(nèi)電動汽車迅速發(fā)展,相比于傳統(tǒng)的燃油汽車電動汽車具有諸多優(yōu)勢,例如加速性能好,行駛安靜,“零排放”等,因此不僅僅在中國,在全世界范圍內(nèi),電動汽車的市場份額都在快速增加。據(jù)相關機構(gòu)預測,全球電動汽車的銷量在2020年將達到1300萬輛,而到2030年將達到2.3億輛,隨著電動汽車的大規(guī)模普及,在2030年,可以使的美國的溫室氣體排放量相比于2005年減少20%-69%。
雖然電動汽車不會直接排放有害氣體和污染物等,但是實際上在電動汽車的生產(chǎn)和使用過程中仍然會間接的產(chǎn)生一定污染,例如電動汽車所用的鋰離子電池在生產(chǎn)過程中需要消耗大量的能量,在電動汽車使用過程中還需要對鋰離子電池進行充放電,這些都會消耗能量,從而間接的產(chǎn)生污染物的排放。
在鋰離子電池的生產(chǎn)過程中,主要能耗發(fā)生在正、負極材料生產(chǎn),電極涂布后的烘干過程和電池生產(chǎn)過程中干燥間干燥機組運行等過程。目前電動汽車主要分為三大類:混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車,這些汽車內(nèi)斗包含眾多的鋰離子單體電池,例如日產(chǎn)leaf電動汽車的24kWh電池模塊,就包含192只單體電池,重達640磅,ChevroletVolt的16kWh電池模塊,包含288只電池,重達435磅,如此眾多的鋰離子電池在生產(chǎn)過程中必然要消耗大量的能量,但是以往估算動力鋰離子電池組的生產(chǎn)能耗中,由于缺乏直接的工廠數(shù)據(jù),生產(chǎn)過程中的能耗往往是通過估算進行的,因此得出的數(shù)據(jù)也有很大的差異。
美國凱斯西儲大學大學的ChrisYuan直接從JohnsonControlInc.公司采集了生產(chǎn)數(shù)據(jù),基于工業(yè)生產(chǎn)過程對24kWh鋰離子電池組的生產(chǎn)能耗進行了分析。24kWh鋰離子電池模塊的生產(chǎn)能耗主要分為三大部分:電池材料的生產(chǎn)消耗29.9GJ,鋰離子電池的生產(chǎn)消耗58.7GJ,電池組的組裝消耗0.3GJ能量。
電池材料生產(chǎn)能耗
ChrisYuan分析的24kWh鋰離子電池模塊的鋰離子單體電池采用的為錳酸鋰正極和石墨負極,首先我們一起分析電池中的原材料生產(chǎn)的能耗。在鋰離子單體電池中,正極的組成比例為LMO:炭黑:PVDF=89:6:5,負極組成為:石墨:CMC=95:5,負極正極容量比為1.2,還包含電解液,隔膜,集流體、電池外殼,每只單體電池重量為868g,然后12只單體電池連接為電池模塊,16個模塊連接為電池組,再加入BMS,冷卻系統(tǒng)。因此,在一個電池組中包含192只單體電池,電池組總重量為221.6kg,其中,單體電池166.6kg,冷卻系統(tǒng)8.9kg,BMS8.5kg,結(jié)構(gòu)件37.6kg,電池組不同部分的重量比例入下圖所示。
對各個材料的生產(chǎn)能耗進行計算發(fā)現(xiàn),LMO正極材料的生產(chǎn)耗能最高達到4890MJ,而石墨負極生產(chǎn)的耗能僅為1671MJ,銅和電池組結(jié)構(gòu)件的耗能也分別達到了4737MJ和4241MJ,因此生產(chǎn)一個24kWh的電池組,原材料的耗能為29.9GJ。
鋰離子電池生產(chǎn)過程中的能耗
鋰離子電池的生產(chǎn)過程如下圖所示,主要包含勻漿、涂布和烘干,分切,電芯卷繞,電池裝配,以及注液和化成等過程,其中能耗比較高的部分主要是電極的烘干過程和電池生產(chǎn)過程中干燥間的干燥機組運行成本,例如一個可以每天生產(chǎn)400只電池的干燥間,干燥機組和鋰離子電池生產(chǎn)設備的運行功率達到64.8kW
鋰離子電池生產(chǎn)過程中每個步驟的能耗,如下表所示,其中有38%的能量消耗在了電極干燥過程,43%消耗在干燥間的運行中,整個24kWh電池組消耗在單體電池生產(chǎn)過程中的能耗為58.7GJ。
電池組的組裝能耗
由于電池組的組裝主要由人工完成,因此能耗僅為0.03kWh/kg,因此整個24kWh電池組的電池組裝能耗也僅為0.3GJ。
從上述分析可以看到,整個24kWh電池組生產(chǎn)過程中總的能耗達到了88.9GJ的能量,其中主要是單體電池生產(chǎn)和原材料的生產(chǎn)過程能耗較高,不同部分的生產(chǎn)能耗占比如上圖所示。ChrisYuan的研究還發(fā)現(xiàn),環(huán)境溫度和PVDF膠液的濃度對鋰離子電池生產(chǎn)過程中的能耗影響比較大,例如當環(huán)境溫度從10℃提高到25℃后干燥間的能耗下降了8%。環(huán)境濕度也對生產(chǎn)能耗有著顯著的影響,將PVDF膠液濃度從4%降低到2%,電池組的生產(chǎn)能耗可以從50.1kWh/kg下降到40.5kWh/kg。
責任編輯: 李穎