电池的其他特性包括循环寿命特性、成本特性、环境友好性、生产友好性等,具体如下。
1. 循环寿命特性
作为电动汽车的关键部件,动力电池的使用寿命至关重要。一般用特定循环次数下的放电容量或放电容量与初始容量之比的百分数表征电池的循环寿命特性,包括标准循环寿命和工况循环寿命。
(1)标准循环寿命:以1小时率电流进行完全放电,至少搁置30min,并以规定的充电方式进行完全充电,至少搁置30min,以1小时率电流完全放电并记录放电容量。连续循环500次,如果放电容量高于初始容量的90%,则终止实验;否则,继续循环500次。
《GB/T 31484—2015》要求循环次数500次时,放电容量不低于初始容量的90%,或者循环次数1000次时,放电容量不低于初始容量的80%。
(2)工况循环寿命:针对混合动力乘用车用功率型电池、混合动力商用车用功率型电池、纯电动乘用车用能量型电池、纯电动商用车用能量型电池、插电式和增程式电动汽车电池,分别进行特定的工况循环测试,当总放电能量与电池初始能量的比值达到500:1时,计量放电容量。
2. 成本特性
作为最昂贵的部件之一,低成本电池系统对电动汽车的大规模市场推广至关重要。在电池系统中,电芯成本约占总成本的一半,是降低总成本的关键突破口。
随着锂离子电池技术的逐步成熟和产能的稳步提升,其成本呈现逐步下降的趋势。2010年,锂离子电池系统成本约为3元/(W·h);目前,其成本降至1元/(W·h),并有望于2025年降至0.45元/(W·h)、于2030年降至0.40元/(W·h)、于2035年降至0.35元/(W·h) [3] 。
3. 环境友好性
作为大批量生产的工业产品,电池及其关键材料在生产制造、使用及循环利用过程中的环境友好性至关重要。
在生产制造阶段,由于铅酸电池、镍镉电池等电池的材料中富含铅、镉重金属,污染性较强。在锂离子电池中,正极材料中的钴、锰、镍重金属会使环境pH值升高;碳及石墨等负极材料在生产过程中易造成粉尘污染;LiPF 6 、LiBF 4 、LiClO 4 、LiAsF 6 等电解质的生产易造成氟污染和有毒气体污染;碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、甲基乙基碳酸酯EMC等电解质溶剂易产生醛、有机酸、醇等有机物污染。但总体而言,与其他电池相比,锂离子电池的污染性较弱。
在使用过程中,铅酸电池会释放少量硫化氢、砷氢化物和锑氢化物,并带出气体酸雾,造成一定的环境污染。锂离子电池、镍氢电池在使用过程中基本无污染。
在循环利用阶段,主要涉及有价金属浸出、分离富集、萃取分离及有机电解质无害化处理等。目前,退役动力电池的回收通常包括湿法回收和火法回收两大技术路线。
湿法回收是我国动力电池循环利用的主流技术,主要包括预处理(放电、破碎、分选、正极活性物质材料与集流体分离)、浸出、净化分离和材料再生制备等步骤。对于磷酸铁锂离子电池,其回收后主要形成磷酸锂和磷酸铁,与三元锂离子电池相比,其回收价值较低,已成为制约磷酸铁锂离子电池发展的关键因素 [3] 。
欧洲主要采用火法回收技术,其工作原理为:将电池直接放入1200~1500℃的熔炼炉中进行高温冶炼,实现隔膜、电解液、黏结剂及负极石墨等有机物的燃烧脱除,并充分利用铝和有机材料的还原性与蕴含能量,实现有机物的集中无害化处理 [3] 。
4. 生产友好性
在电池的生产过程中,除了要确保对人员、环境无害,还要确保生产工艺易于大规模批量制造、一致性好、成品率高,将这些要求统称为生产友好性。
目前,国外主流动力电池企业拥有较好的自动化生产技术、工艺装备和质量控制水平,特别是智能化无人制造技术为制造具有较高一致性的动力电池提供了保障。目前,国内动力电池企业的生产多处于单机自动化和局部信息连接阶段,工序能力(CP指数)为1.33~1.67,产品直通率为92%~94%,材料利用率约为92% [3] 。
目前,我国动力电池低端材料设备已全部实现国产化,但隔膜设备、正极材料设备、负极材料设备等核心高端设备仍依赖进口。现有涂布速度已突破120m/min,卷绕线速度突破3m/s,叠片效率突破600PPM,已实现制浆、涂布、辊压、分条集成一体化,以及激光模切卷绕、激光模切叠片、组装过程一体化 [3] 。
未来新型工艺装备主要包括预锂化设备、干法制片设备、极片隔膜复合设备、智能化成形设备。此外,在动力电池智能制造方面,核心目标是利用工业互联网平台,基于大数据、云计算和人工智能技术,提升动力电池制造质量、安全性和效率 [3] 。