動力電池是電動汽車行業(yè)的核心技術,在最近十年中發(fā)展十分迅速,吸引了很多人前來學習、了解,以及在此就業(yè)。與此同時,很多人群也希望更好地了解該領域,如在校學生、動力電池行業(yè)新入職者、需要研究該行業(yè)發(fā)展的金融業(yè)從業(yè)者,以及轉行進入該行業(yè)的朋友們等。對于任何一個行業(yè)來說,都需要一些教材為入門者提供全面的科普,但是動力電池行業(yè)具有技術發(fā)展速度快、涉及知識面廣的特點,這也給科普這一任務提出了難題。目前市面上存在著很多關于鋰離子電池、動力電池及電動汽車行業(yè)的科普書籍,但是總體來說很少有書籍基于工程而非科研視角,為廣大入門者提供整個行業(yè)知識的入門指南,幫他們整體構建一個完整的動力電池知識體系,形成對行業(yè)的整體認識,而不只是專門聚焦于一個或幾個研究方向進行特別學術性的深入介紹。本書意圖填補如上所述的動力電池知識科普領域的空白,將主要分為以下幾部分來介紹動力電池行業(yè),力圖為入門者建立一個基礎的動力電池知識框架。本書先從電芯的電化學工作機理和材料開始介紹電池技術的基礎(第2章),然后介紹軟包、方形、圓柱三種典型的電芯封裝方式及結構設計上的優(yōu)劣(第3章),接下來說明如何把電芯集成到電池系統(tǒng),以及目前主流的提高電池系統(tǒng)集成度的方案(第4章),在第5章會介紹動力電池技術涉及的基本物理量,并說明在不同的應用場景中對這些性能參數(shù)的期待是什么,接下來在第6章中會列舉幾項動力電池技術目前面對的代表性的技術挑戰(zhàn),實際上這也為未來技術發(fā)展指明了方向,在第7章中會介紹典型的具有一定競爭力的新型電池技術,并比較它們與目前常用的鋰離子電池具有什么樣的優(yōu)勢和不足,最后(第8章)則會重點聚焦于職場發(fā)展,針對不同情況的人群給出一些職業(yè)發(fā)展方面的建議。筆者希望基于本書提供的知識體系,可以給各位讀者尤其是對動力電池工業(yè)界還不太了解的朋友們建立一個認識框架,以幫助各位在未來的學習和工作中更快地上手,在職場中更好地發(fā)展。
劉冠偉于業(yè)余時間積極從事電池行業(yè)科普工作,以弗雷劉為ID在知乎、B站、微信等多個平臺上活躍,創(chuàng)作原創(chuàng)文章、視頻等共計近百篇,廣受好評,在動力電池業(yè)內具有一定的知名度和影響力。
眾所周知,隨著對環(huán)保、能源安全等問題的日益關注,能源轉型已經成為目前全球各國的發(fā)展焦點。而在能源轉型的眾多子方向中(如可再生能源使用、各領域的電能替代、智能電網等),電動汽車可以說是其中最重要的發(fā)展方向之一,而電池在電動汽車中又是最為關鍵的部件和技術。在電動汽車領域應用的電池也常常被叫作動力電池,而鋰離子電池則是目前電動汽車動力電池領域中核心的最主流技術。本書也將圍繞這個話題展開,為讀者詳細講解動力電池行業(yè)中的入門科普知識,希望可以為還不太了解動力電池行業(yè)的讀者們構建起一個初步的知識體系。
本書是一本側重于給學生、非專業(yè)人士、初步進入動力電池領域工作的職場入門者用于了解動力電池行業(yè)的硬科普書籍。目前市面上存在著眾多介紹鋰電池或動力電池的書籍,它們大多側重對電池知識的幾方面進行專、精、深的介紹,都或多或少地存在著深度夠而廣度和通俗性不足的問題:
有的側重于鋰離子電池的材料化學理論研究,而對于工業(yè)生產和應用涉及很少;
有的則過于偏向動力電池的實際應用或系統(tǒng)集成設計,少了一些對于材料、化學基礎技術的鋪墊;
這些書籍中的很多都是幾年前出版甚至是年代更早的作品,無法體現(xiàn)出最近幾年來全球動力電池行業(yè)技術迅速迭代產生的最新成果。
綜上所述不難看出,目前動力電池業(yè)內的知識介紹書籍,很少有一本書能形成一個比較完整的動力電池知識體系,體現(xiàn)出行業(yè)最新的發(fā)展成果和技術演化趨勢,并且能為最需要建構知識體系、了解行業(yè)情況的入門者提供一個行業(yè)知識的全貌。
本書的定位則與以上所述的這些書籍不同,填補了動力電池知識體系建構 入門科普這樣一個空白。它介紹了動力電池行業(yè)全貌、工業(yè)界的核心技術及發(fā)展方向,從電池的材料開始鋪墊基礎電化學知識,然后介紹電池的結構設計與生產工藝 ,分析如何把單體電池集成為系統(tǒng),再在電池的性能與應用、新技術挑戰(zhàn)和發(fā)展方向方面做介紹,構建了完整的動力電池知識體系,并在最后一部分針對行業(yè)新人給出了職場發(fā)展初期的主要建議。
本書行文忠實于動力電池行業(yè)的嚴格定義,在術語表達上盡量保證與工業(yè)界術語的嚴謹一致,但是為了照顧廣大讀者而盡可能地采用相對通俗的語言?傮w來說,本書與一般的電池學術書籍相比,知識覆蓋面更寬、語言更通俗、受眾面更廣,期望可以給在校學生、畢業(yè)生、行業(yè)新人與有興趣轉行進入的朋友一個基本的行業(yè)情況認識,幫助讀者在最短的時間內建立起對行業(yè)的整體理解,以便于更深入學習和了解該行業(yè)并更好地在該領域工作。
本書介紹動力電池技術,主要內容包括:電芯單體組成材料,電芯結構設計,電池系統(tǒng)設計,基本物理量介紹,性能與應用場景,技術挑戰(zhàn),新技術介紹,職業(yè)發(fā)展建議。即先材料后結構(先介紹電芯中的主要材料,再介紹這些材料如何組成電芯,以及如何生產制成),先小再大(從電芯單體到電池模組/系統(tǒng)),先物質后物理再應用(先介紹化學和結構是什么,然后再看它們的性能如何,最后再看如何使用,以及技術挑戰(zhàn)是什么),整個技術部分結束后,再在全書最后的章節(jié)與讀者分享一些很多人關心的本行業(yè)職場中如何發(fā)展的個人經驗和建議。
希望通過閱讀本書,各位讀者能夠建立起動力電池行業(yè)的基本知識體系架構,并在職業(yè)生涯初步階段的個人發(fā)展方面得到有價值的參考建議,幫助自己更快地入門、成長,獲得更好的發(fā)展。
編 者
2024年4月
第1章 動力電池:新能源汽車的心臟 / 1
1.1 綠色能源轉型大背景下的新能源汽車發(fā)展浪潮 / 1
1.2 動力電池:貴重高驅,電動汽車的核心部件 / 5
1.3 典型的動力電池系統(tǒng)/電池包的結構與組成 / 7
1.4 能量存儲單元:從模組到電芯單體 / 10
第2章 材料與電化學:電池的基礎是化學與材料 / 12
2.1 一次電池與二次電池:一個不能充電,另一個能 / 13
2.2 電池與電芯的概念:系統(tǒng)VS單體,不可混淆 / 14
2.3 電芯的主要組成材料:這個黑盒子學問可大了 / 15
2.4 充放電機理:后面所有性能分析的機理基礎 / 21
2.5 正極材料:成本與性能占據的大頭 / 23
2.6 負極材料:未來提高電芯能量密度的關鍵方向 / 42
2.7 正極 負極 其他材料的支持=單體電芯 / 46
2.8 總結 / 48
第3章 電芯結構設計與生產工藝:把材料如何做成電池,學問特別大 / 50
3.1 圓柱VS方形VS軟包:三種封裝方式,三足鼎立 / 50
3.2 電芯單體生產前段:極片制備 / 57
3.3 電芯單體生產中段:電芯組裝 / 60
3.4 電芯單體生產后段:化成出貨 / 70
3.5 關于電芯生產的一些思考和總結 / 71
第4章 電池系統(tǒng)設計與集成:從電芯集成到電池系統(tǒng),進一步向應用側靠攏 / 74
4.1 傳統(tǒng)油改電:為什么這么費勁卻又常常不得不從這里開始 / 74
4.2 純電平臺車型電池系統(tǒng):更專業(yè)的平臺化、模塊化設計思路 / 78
4.3 典型方形/軟包/圓柱電芯的模組方案:先看看怎么做成模組 / 80
4.4 更高性能要求背景下,電芯與電池結構的發(fā)展方向 / 84
4.5 總結 / 97
第5章 性能與應用場景 / 98
5.1 基礎物理量 / 98
5.2 實際充放電曲線 / 102
5.3 可用能量 / 105
5.4 串并聯(lián) / 108
5.5 六大性能維度 / 109
5.6 四種典型應用領域:48V/HEV、PHEV、EREV、BEV / 115
5.7 總結 / 118
第6章 動力電池技術上的挑戰(zhàn) / 119
6.1 快充:析鋰與熱管理是重點,安全很重要 / 119
6.2 能量密度:單純把它提上去倒沒那么難,問題是其他指標怎么辦 / 129
6.3 膨脹:機械結構件,不關注力學性能怎么用呢 / 132
6.4 熱失控與熱擴散:這是近年來對電池安全關注的真正重點 / 138
6.5 總結 / 146
第7章 各種先進技術 / 147
7.1 電池的命名規(guī)則 / 148
7.2 鋰金屬電池:并非最新技術,卻是若干前沿技術方向的重要基礎 / 150
7.3 固態(tài)電池:定義略玄,期待很高,需要證明自己及做好工業(yè)化 / 152
7.4 鋰硫電池 / 155
7.5 鋰空氣電池 / 157
7.6 石墨烯 / 158
7.7 鈉離子電池 / 161
7.8 超級電容器 / 163
7.9 其他技術 / 164
第8章 寫給新人的一點行業(yè)入門分享 / 165
8.1 寫給學生:關于專業(yè)課程選擇、課題組、兼職實習等問題 / 165
8.2 寫給教師:工業(yè)界需求與學校課程設置間存在脫節(jié),需加強與產業(yè)界的交流 / 168
8.3 菜鳥初入工業(yè)界:感觸體會與方向建議 / 170
8.4 老鳥想轉型進入電池行業(yè):認清自己,尋找機會,適度妥協(xié),堅持學習 / 176
8.5 總結:積跬步以至千里,終身學習受益無窮 / 178
第9章 結語 / 179
致謝 / 182