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从特斯拉和丰田看镍氢电池技术传承和创新

2021-10-09 05:39:36

金属氢化物镍电池(NiMH Battery),或者叫镍氢电池,是以稀土储氢合金为负极活性物质,铜网或镀镍钢带为负极基体,以氢氧化镍做正极活性物质,发泡镍为正极基体,电解液为碱性水溶液,外壳以钢壳圆柱较为常见,也有方形金属和塑胶壳。曾经广泛应用在通信,个人护理,玩具,灯具,煤矿,医疗,电动工具等领域。随着锂离子电池的兴起,镍氢电池的应用比例逐渐下降,在日常生活中已经不容易发现镍氢电池的身影,在2010年后的国内科研论文中也很少发现镍氢电池研究的踪迹。然而,镍氢电池因其自身特有的安全性,耐用性和性价比优势,仍然在车载,HEV(混合动力汽车),医疗,矿用,个人护理等产品和应用上发挥独特的作用,在海外民用市场也广受欢迎。


格瑞普镍氢电池

图1镍氢电池


近年来,市场广泛认为镍氢电池已经非常成熟,没有继续研发和创新的潜力,事实果真如此吗?我们就从非常时尚的特斯拉和HEV领先者丰田汽车的电池日来看看镍氢电池技术的传承和创新。


一、特斯拉电池里的镍氢电池技术


2020年9月22日特斯拉电池日活动中,特斯拉CEO马斯克揭晓了全新动力电池,发布了全新的无极耳4680电池。据马斯克介绍,全新4680电池在改善成本的同时,能量密度方面提高5倍,续航里程提高16%,动力方面提高6倍。


特斯拉4680电池

图24680电芯能量提升5倍


一般来说,圆柱电池使用卷绕工艺,正负极通过极耳与盖帽和钢壳连接,如图3结构。极耳的宽度有限,接触面积有限,导致通过电流或者放电功率受限,一般为提升电池放电功率,会采用多个极耳工艺来达到目的。


圆柱电池卷绕结构


图3圆柱电池卷绕结构


而特斯拉新型电池提到了与此不同的所谓无极耳电池,如图4所示,看起来是不是很新颖特别?很有创意?


特斯拉无极耳工艺

图4特斯拉无极耳工艺


我们再来看看图5格瑞普电池量产的镍氢高倍率端面焊工艺:


格瑞普端面焊工艺

图5格瑞普端面焊工艺


是不是异曲同工,完美借鉴和传承?


二、丰田汽车的镍氢电池技术创新


我们现在讲电动汽车,一般是指纯电动汽车,耳熟能详的有特斯拉,比亚迪,蔚来,小鹏等知名品牌。根据 EV Sales Blog 的数据,2020 年全球共售出 3,124,793 辆 图6充电式(BEV纯电动 + PHEV插电式混动)汽车,其中 68%以上为纯电动汽车。其中特斯拉以50万辆的年销售量排名世界第一,这是一个非常了不起的数字。我们再来看看丰田的战绩。丰田宣布截止到2020年的3月份,丰田混合动力汽车全球累计销量已突破1500万辆。而丰田的混合动力汽车用的恰恰就是安全性更高的镍氢电池。我们时常听到特斯拉和其他电动汽车起火的新闻,似乎没有听到说丰田混合动力汽车出现电池起火等安全事故。


混动之王丰田普锐斯PRIUS


图6混动之王丰田普锐斯PRIUS


图7就是丰田混合动力汽车所用电池模组。


混合汽车电池模组

图7混合汽车电池模组


作为汽车行业用的电池,安全稳定是最高追求,镍氢电池似乎没有更大的突破和创新。然而,丰田说不。


近日据官方消息称,丰田“双极性镍氢电池”已经开启量产应用,并被安装于混动系统中,目前海外上市的全新一代AQUA 图8已完成装车。

丰田新一代AQUA

图8丰田新一代AQUA


值得一提的是其革新性电池技术,新款AQUA在全球首次采用大功率「双极性镍氢电池」。与老款AQUA车型的镍氢电池相比,电池功率约为原来的1.5倍,相同尺寸电池包所能容纳的电芯数量也相当于前代产品的1.4倍,并且油门操作应答性能提高,可从低速状态进行线性平滑加速。


我们知道,电池一般由正极,负极,电解液,隔膜和外壳这几个主要部分组成,而正负极一般由隔膜分隔开来。而丰田的双极性电池完全颠覆了我们的传统认知,如图9所示


双极性电池结构

图9双极性电池结构


简单来说,双极性镍氢电池是将集电体的一面涂为正极,另一面涂为负极的多张 “双极电极” 堆叠在一起打包而成的电池。与传统型镍氢电池相比,其特点便是集电体等零部件数量少,能够做到体积紧凑化,因此,在尺寸与传统型电池相同的情况下,它能够搭载更多的电池单元。而且,由于通电面积大、简单的结构,减小了电池内的电阻,能够不停通过大电流,从而有助于提高输出功率。


传统型与双极型电路结构对比

图10传统型与双极型电路结构对比


新的电池技术不断被研发出来,传统的电池和技术得到传承并不断创新,焕发更大的生命力。创新永不止步,一切皆有可能。


格瑞普电池已有23年镍氢电池的生产经验,可提供全系列圆柱型镍氢电池电芯和电池组产品和方案,包括常规,高温,低温,宽温,高倍率,大容量和异形电芯。


格瑞普镍氢电池

图11 格瑞普镍氢电池

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