Простое решение для более безопасных, дешевых и энергоемких аккумуляторов

В предыдущей статье мы сравнили плотность энергии многих аккумуляторных батарей, используемых в популярных электромобилях. Большинство батарей были либо NCM 523, либо NCM 622, и в среднем имели гравиметрическую плотность энергии от 140 до 150 Втч/кг, что разочаровывает, учитывая, что это намного меньше, чем то, что мы получаем на уровне элемента (230-250 Втч/кг).

Плохая гравиметрическая плотность энергии современных аккумуляторов для электромобилей может быть объяснена ненужной сложностью, и в этой статье мы увидим простое решение, позволяющее сделать аккумуляторные блоки проще, безопаснее, дешевле и с большей энергоемкостью.

Во-первых, чтобы дать вам немного контекста, мы посмотрим, где мы сейчас.

В настоящее время аккумуляторные блоки похожи на матрешек, внутри них у нас есть модули, а внутри модулей у нас есть важные вещи, которые хранят энергию, аккумуляторные элементы. Это означает, что вес аккумуляторных элементов представляет собой лишь часть общего веса аккумуляторов.

Давайте рассмотрим несколько примеров GCTPR (гравиметрическое соотношение элементов и блоков), чтобы лучше понять, насколько неэффективными с точки зрения веса являются современные аккумуляторные блоки.

Renault ZOE (старый аккумулятор ZE 40)

Эта батарея весит 305 кг, из которых 185 кг (61 %) приходится на элементы. Остальные 120 кг (39 %) веса составляют металлические корпуса, кабели, BMS (система управления батареями) и TMS (система терморегулирования).

• Вес аккумуляторной батареи:305 кг.
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне аккумуляторной батареи:145 Втч/кг.
• Вес аккумуляторных батарей:185 кг (61 %).
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне элемента батареи:245 Втч/кг.

Renault ZOE (новый аккумулятор ZE 50)

Эта батарея весит 326 кг, из которых 206 кг (63 %) приходится на элементы. Остальные 120 кг (37 %) веса составляют металлические корпуса, кабели, BMS (система управления батареями) и TMS (система терморегулирования).

• Вес аккумуляторной батареи:326 кг.
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне аккумуляторной батареи:168 Втч/кг.
• Вес аккумуляторных батарей:206 кг (63 %).
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне элемента батареи:265 Втч/кг.

Nissan LEAF (аккумулятор 40 кВтч)

Эта батарея весит 303 кг, из которых 175 кг (58 %) приходится на элементы. Остальные 128 кг (42 %) веса составляют металлические корпуса, кабели, BMS (система управления батареями) и TMS (система терморегулирования).

• Вес аккумуляторной батареи:303 кг.
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне аккумуляторной батареи:130 Втч/кг.
• Вес аккумуляторных батарей:175 кг (58 %).
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне элемента батареи:224 Втч/кг.

Nissan LEAF (аккумулятор 62 кВтч)

Эта батарея весит 410 кг (оценка), из которых 263 кг (64 %) приходится на элементы. Остальные 147 кг (36 %) веса составляют металлические корпуса, кабели, BMS (система управления батареями) и TMS (система терморегулирования).

• Вес аккумуляторной батареи:410 кг.
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне аккумуляторной батареи:151 Втч/кг
• Вес аккумуляторных батарей:263 кг (64 %).
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне элемента батареи:224 Втч/кг.

BMW i3 (аккумулятор 94 Ач)

Эта батарея весит 256 кг, из которых 193 кг (75 %) приходится на элементы. Остальные 63 кг (25 %) веса составляют металлические корпуса, кабели, BMS (система управления батареями) и TMS (система терморегулирования).

• Вес аккумуляторной батареи:256 кг.
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне аккумуляторной батареи:132 Втч/кг.
• Вес аккумуляторных батарей:175 кг (75 %).
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне элемента батареи:175 Втч/кг.

BMW i3 (аккумулятор 120 Ач)

Эта батарея весит 278 кг, из которых 215 кг (77 %) приходится на элементы. Остальные 63 кг (23 %) веса составляют металлические корпуса, кабели, BMS (система управления батареями) и TMS (система терморегулирования).

• Вес аккумуляторной батареи:278 кг.
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне аккумуляторной батареи:152 Втч/кг
• Вес аккумуляторных батарей:215 кг (77 %).
• Гравиметрическая плотность энергии на уровне элемента батареи:207 Втч/кг.

Как я уже неоднократно говорил, батарея BMW i3 — моя любимая батарея для электромобиля.

Вот почему:

• Изготовлены из чрезвычайно прочных призматических элементов NCM Samsung SDI (версии на 94 и 120 Ач, 60 Ач не так хороши).
• Расположение ячеек такое, каким оно должно быть всегда, то есть бок о бок для лучшего отвода тепла. Расположение элементов друг над другом, как в аккумуляторной батарее Nissan LEAF, не является хорошей идеей, так как элементы наверху будут нагреваться и быстрее разрушаться.
• Хорошая активная TMS (система терморегулирования) с жидкостным охлаждением для поддержания рекомендуемой температуры батареи очень важна.
• Принцип KISS (Keep It Simple, Stupid), поскольку в нем всего 96 ячеек, соединенных последовательно, и ни одной параллельно.

Аккумуляторный салон BMW i3

Аккумулятор BMW i3 имеет самый высокий GCTPR (гравиметрическое соотношение элементов к аккумулятору) среди обычных аккумуляторов для электромобилей благодаря своей простоте. Несколько больших призматических ячеек, соединенных последовательно, требуют меньше кабелей и корпусов для модулей.

GCTPR 77 % — это очень хорошо для обычного аккумуляторного блока, однако он может быть еще лучше с технологией CTP (cell-to-pack).

С технологией CTP вместо того, чтобы размещать аккумуляторные элементы внутри модулей, а затем модули внутри аккумуляторных блоков, мы полностью удаляем модули. В итоге мы получаем длинные призматические аккумуляторные элементы, соединенные последовательно, которые помещаются в массив, а затем вставляются в аккумуляторный блок, что делает его настолько простым, насколько это возможно.

У различных китайских производителей аккумуляторных элементов, таких как BYD, CATL и SVOLT, уже есть собственные версии аккумуляторных блоков CTP.

BYD

Аккумулятор BYD Blade с технологией CTP

Простота BYD Blade Battery видна на изображении выше. Представьте, как просто собрать или заменить элементы в этом аккумуляторе. BYD говорит, что в этой батарее не менее 100 элементов (все соединены последовательно).

Более того, аккумуляторные блоки с технологией CTP, изготовленные из безкобальтовых элементов LFP/LFMP, достигают уровней плотности энергии около 140-160 Втч/кг, что эквивалентно тому, что мы в настоящее время получаем с аккумуляторами для электромобилей, изготовленными из более дорогих и менее безопасных NCM 523 и NCM 523. Ячейки NCM 622.

CTP — это еще один технологический прорыв, который способствует возвращению аккумуляторных элементов LFP в электромобили. Я думаю, что теперь можно не сомневаться, что аккумуляторные элементы LFP/LFMP будут играть важную роль в массовости электромобилей.

Особенности BYD Blade Battery:

• VCTPR (объемное соотношение ячеек и упаковки):62,4 %
• GCTPR (гравиметрическое соотношение ячеек и упаковки):84,5 %

Это означает, что в аккумуляторной батарее BYD Blade аккумуляторные элементы составляют 62,4 % объема и 84,5 % веса. Стандартные аккумуляторные батареи, изготовленные из модулей, имеют в среднем VCTPR 40 % и GCTPR 60 %.

BYD раскрывает объемное и гравиметрическое соотношение элементов и батарей в новых аккумуляторных батареях

Тем не менее, BYD Blade Battery предназначен не только для увеличения плотности энергии батарейных блоков. Что касается безопасности, эту батарею сложно превзойти. Мало того, что химия LFP/LFMP чрезвычайно безопасна сама по себе, длинная прямоугольная форма ячеек обеспечивает большую площадь охлаждения и снижает способность выделять тепло при коротком замыкании.

Испытание на проникновение гвоздя с помощью BYD различных аккумуляторных элементов

Кроме того, что действительно интересно, так это то, что нам не придется ждать годы, чтобы увидеть внедрение этой технологии. Предстоящий электромобиль BYD Han EV поступит в продажу в июне этого года и будет оснащен аккумуляторной батареей BYD Blade.

<цитата>

Han EV, флагманская модель седана BYD, выпуск которой запланирован на июнь, будет оснащен аккумуляторной батареей Blade. Новая модель возглавит семейство Dynasty с запасом хода 605 км и ускорением от 0 до 100 км/ч всего за 3,9 секунды.

BYD Han EV — действительно интересный электромобиль, пробег в 605 км в NEDC должен соответствовать примерно 450 км (280 миль) в более реалистичном цикле испытаний WLTP.

BYD Han EV с аккумуляторной технологией CTP

Хотя электромобили BYD еще не очень популярны за пределами внутреннего рынка Китая, электрические автобусы BYD уже чрезвычайно популярны во всем мире, и эти электромобили, вероятно, получат батареи CTP в будущем.

Цели BYD по плотности энергии :140–160 Втч/кг для безкобальтовых химикатов LFP/LFMP

CATL

Технология CATL CTP

В то время как BYD больше сосредоточена на безкобальтовых батареях LFP/LFMP, CATL работает в двух направлениях и хочет применить технологию CTP не только к безкобальтовым батареям LFP/LFMP, но и к более энергоемким батареям NCM.

CATL уже производит аккумуляторные батареи CTP для китайского автопроизводителя BAIC.

BAIC EU5 EV с аккумуляторной технологией CTP от CATL

Цели CATL по плотности энергии :145–160 Втч/кг для безкобальтовых химикатов LFP/LFMP и 200 Втч/кг для химий NCM

SVOLT

Технология SVOLT CTP

SVOLT стремится применить технологию CTP к более энергоемким батареям NCMA. К сожалению, об этом мало информации.

Цели SVOLT по плотности энергии :свыше 200 Втч/кг для NCMA химикатов

Подводя итоги.

Это всего лишь вопрос времени, когда CTP станет основной технологией для создания более простых, безопасных, дешевых и энергоемких аккумуляторов. Кроме того, нам не нужно ждать годами, чтобы получить аккумуляторы без кобальта с достойной плотностью энергии, которые являются чрезвычайно безопасными и дешевыми. Батарея BYD Blade действительно впечатляет. У Уоррена Баффета есть причины радоваться своей ставке на BYD много лет назад.

Кроме того, стоимость кВт·ч аккумуляторов LFP/LFMP без кобальта примерно на 20 % ниже, чем у аккумуляторов с высоким содержанием никеля, таких как NCM 811. Тем не менее, даже без аккумуляторных элементов LFP/LFMP Volkswagen уже имеет стоимость кВт·ч ниже 100 евро, что доказывает, что автопроизводители могли бы сделать электромобили с приличным запасом хода доступными прямо сейчас, если бы были заинтересованы в их продаже.

Дорожная карта стоимости аккумуляторов от Volkswagen

В любом случае, мне действительно интересно узнать больше о реализации технологии CTP в SVOLT и CATL. На данный момент у нас есть более подробная информация о собственной версии CTP от BYD.

Кроме того, мне также интересно, сколько времени потребуется корейским производителям аккумуляторных элементов, чтобы осознать важность безкобальтовых аккумуляторов и начать их производство. В настоящее время китайские компании, такие как BYD и CATL, являются неоспоримыми экспертами в области химии. Однако было бы здорово увидеть, как LG Chem и Samsung SDI работают над улучшением химии LFMP.

Наконец, я очень оптимистичен и ожидаю, что в ближайшем будущем (один или два года) большинство электромобилей будут доступны с аккумуляторными батареями LFMP (оптимизированными по цене) и NCMA (оптимизированными по запасу хода), изготовленными с использованием простой технологии CTP.