巨头的路线,三星SDI动力电池技术浅析

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三星SDI的单体锂离子电池产品系列比较齐全(图1),标准产品包括高能量的BEV(纯电动)60Ah、94Ah电池, PHEV(插电式混合电动车)26Ah、37Ah电池(26Ah会逐渐被37Ah取代),HEV(混合电动车)5.2Ah、5.9Ah电池,以及与超级电容器结合应用于低压系统(LVS,low voltage system)的高功率电池(4.0Ah、11Ah)。

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图1 三星SDI的方形单体电池产品

宝马i3纯电动汽车使用的是三星SDI的方形电池,三星SDI最早在BMW i3上使用的是60Ah单体电池,其结构如图2所示。图2上方为爆炸图,可以比较清楚的看到其电池内部结构设计,这里看几个设计要素:

·内部采用4个卷芯(jelly roll),卷绕方式。这种多卷芯的设计方式如今在动力电池上已经比较常见了。

·针刺安全保护装置(NSD,Nail Safety Device)。这是在卷芯的最外面加上了金属层,例如铜薄片(图2电池拆解图,可以看到外侧有一大片铜箔)。当针刺发生时,在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低,这样可以防止针刺位置局部过热,缓减电池热失控发生。

·过充安全保护装置(OSD,Overcharge Safety Device),目前这个安全设计在很多电池上都能看到。一般是一个金属薄片,配合fuse使用,fuse可以设计到正极集流体上(current collector),过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路,产生瞬间大电流,从而使Fuse熔断,从而切断电池内部电流回路。

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图2 三星SDI 60Ah电池结构图

2016年宝马宣布将在2017版的i3上使用94Ah的电池。从公开的信息可以看到(表1),从60Ah到94Ah,容量增加将近57%,单体电池的质量、体积几乎没有变化。电池系统的体积结构也几乎没有看到明显变化。电池系统可用能量增加了~45%,续驶里程增加了~41%(EPA测算法,NEDC测算法是~64%)(图3)

表1 60Ah和94Ah电池的主要参数对比

容量

60Ah

94Ah

尺寸

173 x 45 x 125

质量

2kg

最小容量

60

94

标称电压

3.7

3.7

电压范围

2.7-4.1

2.75-4.15

单体电池总数量

96

模块数量

8

每个模块的单体电池数量

12

电池系统质量

235kg

N/A

系统总能量

21.6kWh

33.2

系统可用能量

18.8kWh

27.2

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图3 60Ah和94Ah版本的BMW i3参数对比

2014年,三星SDI对外公布的技术路线显示,到2016年为止,其NCM电池的比能量目标为130Wh/kg,2019年左右,比能量目标为250Wh/kg的动力电池。到2020年之后,希望通过锂/空气等新型电池体系达到300Wh/kg的目标。现在看来,当初设定的2016年NCM电池130Wh/kg的目标是比较保守的,电池行业在最近两年的技术进步速度是比较快的。实际上,三星在2016年已经算是有了250Wh/kg的电池产品了(如果不考虑其他性能,仅仅看比能量指标的话)。

2016年,在日本东京举行的第七届国际电池展会上,三星SDI宣布计划在2020年开发出可以支持一次充电行驶600km的锂离子电池,该计划是基于在2016年已经开发出可以支持300km续驶里程的基础上的。三星SDI使用的是NCM正极材料和石墨负极材料,认为可以通过控制正极材料的颗粒尺寸和改进石墨的结晶度,在2018年开发出支持500km续驶里程的电池技术。此外,进一步提高NCM中的镍含量,或者采用NCA正极材料,负极采用石墨/硅材料,有望在2020年实现600km的续驶里程。三星SDI 所选择的这个材料体系基本与实现300Wh/kg的技术路线保持一致(参照:动力电池要求来了,300Wh/kg比能量目标如何实现)。这样看来,三星原技术路线中的300Wh/kg在锂离子电池体系下就有望实现了。在电池尺寸上,三星SDI还是继续采用VDA的标准。

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图4 2014年三星SDI发布的技术路线

三星SDI的汽车和储能市场/产品计划副总Zin Park认为,到2023-2025年,基于液态锂离子电池的技术将达到瓶颈,接下来三星将着重开发全固态电池、锂金属电池和锂空气电池。实际上,在2015年,三星SDI的全固态电池试制样品已经可以达到300Wh/kg(采用硫化物类的固态电解质)。至于锂金属电池、锂空气电池,Zin Park认为现在只是做开发,真正应用可能要10年之后了,那时候有望实现900Wh/kg和一次充电行驶700km。

参考

http://www.samsungsdi.com/; http://www.li-ionen-batterien.de/;

http://insideevs.com/; www.ev-power.eu 

2014 BMW i3 Advanced Vehicle Testing – Baseline Vehicle testing Results. Idaho national Laboratory.

Nikkei Technology. Tech & Industry Analysis from Japan/Asia

作者:129Lab

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