動力電池是電動汽車行業(yè)的核心技術(shù),在最近十年中發(fā)展十分迅速,吸引了很多人前來學(xué)習(xí)、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(lǐng)域,如在校學(xué)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(zhuǎn)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(shù)發(fā)展速度快、涉及知識面廣的特點,這也給科普這一任務(wù)提出了難題。目前市面上存在著很多關(guān)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(gòu)建一個完整的動力電池知識體系,形成對行業(yè)的整體認(rèn)識,而不只是專門聚焦于一個或幾個研究方向進行特別學(xué)術(shù)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(lǐng)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(chǔ)的動力電池知識框架。本書先從電芯的電化學(xué)工作機理和材料開始介紹電池技術(shù)的基礎(chǔ)(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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)涉及的基本物理量,并說明在不同的應(yīng)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(shù)目前面對的代表性的技術(shù)挑戰(zhàn),實際上這也為未來技術(shù)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(shù),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(rèn)識框架,以幫助各位在未來的學(xué)習(xí)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(nèi)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(guān)注,能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為目前全球各國的發(fā)展焦點。而在能源轉(zhuǎn)型的眾多子方向中(如可再生能源使用、各領(lǐng)域的電能替代、智能電網(wǎng)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(guān)鍵的部件和技術(shù)。在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)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(lǐng)域中核心的最主流技術(shù)。本書也將圍繞這個話題展開,為讀者詳細(xì)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(gòu)建起一個初步的知識體系。
本書是一本側(cè)重于給學(xué)生、非專業(yè)人士、初步進入動力電池領(lǐng)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(cè)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(cè)重于鋰離子電池的材料化學(xué)理論研究,而對于工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用涉及很少;
有的則過于偏向動力電池的實際應(yīng)用或系統(tǒng)集成設(shè)計,少了一些對于材料、化學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)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(shù)迅速迭代產(chǎn)生的最新成果。
綜上所述不難看出,目前動力電池業(yè)內(nèi)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(shù)演化趨勢,并且能為最需要建構(gòu)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(gòu) 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(shù)及發(fā)展方向,從電池的材料開始鋪墊基礎(chǔ)電化學(xué)知識,然后介紹電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)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(yīng)用、新技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展方向方面做介紹,構(gòu)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(yán)格定義,在術(shù)語表達上盡量保證與工業(yè)界術(shù)語的嚴(yán)謹(jǐn)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(xué)術(shù)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(xué)生、畢業(yè)生、行業(yè)新人與有興趣轉(zhuǎn)行進入的朋友一個基本的行業(yè)情況認(rèn)識,幫助讀者在最短的時間內(nèi)建立起對行業(yè)的整體理解,以便于更深入學(xué)習(xí)和了解該行業(yè)并更好地在該領(lǐng)域工作。
本書介紹動力電池技術(shù),主要內(nèi)容包括:電芯單體組成材料,電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計,電池系統(tǒng)設(shè)計,基本物理量介紹,性能與應(yīng)用場景,技術(shù)挑戰(zhàn),新技術(shù)介紹,職業(yè)發(fā)展建議。即先材料后結(jié)構(gòu)(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(chǎn)制成),先小再大(從電芯單體到電池模組/系統(tǒng)),先物質(zhì)后物理再應(yīng)用(先介紹化學(xué)和結(jié)構(gòu)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(shù)挑戰(zhàn)是什么),整個技術(shù)部分結(jié)束后,再在全書最后的章節(jié)與讀者分享一些很多人關(guān)心的本行業(yè)職場中如何發(fā)展的個人經(jīng)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(gòu),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(zhuǎn)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(qū),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(jié)構(gòu)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(xué):電池的基礎(chǔ)是化學(xué)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(xué)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(chǔ) / 21
2.5 正極材料:成本與性能占據(jù)的大頭 / 23
2.6 負(fù)極材料:未來提高電芯能量密度的關(guān)鍵方向 / 42
2.7 正極 負(fù)極 其他材料的支持=單體電芯 / 46
2.8 總結(jié) / 48
第3章 電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝:把材料如何做成電池,學(xué)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(chǎn)前段:極片制備 / 57
3.3 電芯單體生產(chǎn)中段:電芯組裝 / 60
3.4 電芯單體生產(chǎn)后段:化成出貨 / 70
3.5 關(guān)于電芯生產(chǎn)的一些思考和總結(jié) / 71
第4章 電池系統(tǒng)設(shè)計與集成:從電芯集成到電池系統(tǒng),進一步向應(yīng)用側(cè)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(shè)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(jié)構(gòu)的發(fā)展方向 / 84
4.5 總結(jié) / 97
第5章 性能與應(yīng)用場景 / 98
5.1 基礎(chǔ)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(yīng)用領(lǐng)域:48V/HEV、PHEV、EREV、BEV / 115
5.7 總結(jié) / 118
第6章 動力電池技術(shù)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(biāo)怎么辦 / 129
6.3 膨脹:機械結(jié)構(gòu)件,不關(guān)注力學(xué)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(guān)注的真正重點 / 138
6.5 總結(jié) / 146
第7章 各種先進技術(shù) / 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(shù),卻是若干前沿技術(shù)方向的重要基礎(chǔ) / 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(shù) / 164
第8章 寫給新人的一點行業(yè)入門分享 / 165
8.1 寫給學(xué)生:關(guān)于專業(yè)課程選擇、課題組、兼職實習(xí)等問題 / 165
8.2 寫給教師:工業(yè)界需求與學(xué)校課程設(shè)置間存在脫節(jié),需加強與產(chǎn)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(zhuǎn)型進入電池行業(yè):認(rèn)清自己,尋找機會,適度妥協(xié),堅持學(xué)習(xí) / 176
8.5 總結(jié):積跬步以至千里,終身學(xué)習(xí)受益無窮 / 178
第9章 結(jié)語 / 179
致謝 / 182