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降低间接污染,动力电池生产耗能科学分析

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时间:1900/1/1 0:00:00

来源:第一电气网作者:平兰俯瞰新能源领军人物

在中国政府的大力推动下,国产电动汽车发展迅速。与传统燃油车相比,电动汽车具有加速性能好、行驶安静、“零排放”等诸多优点。因此,电动汽车的市场份额不仅在中国,而且在世界各地都在快速增长。据相关机构预测,2020年全球电动汽车销量将达到1300万辆,2030年将达到2.3亿辆。随着电动汽车的大规模普及,2030年美国的温室气体排放量可以比2005年减少20%-69%。

虽然电动汽车不会直接排放有害气体和污染物,但事实上,它们在电动汽车的生产和使用过程中仍会间接产生一定的污染。例如,电动汽车中使用的锂离子电池在生产过程中需要消耗大量能量,而锂离子电池需要在电动汽车使用过程中充放电,这会消耗能量并间接产生污染物排放。

在锂离子电池的生产过程中,主要能源消耗发生在电池生产过程中的阳极和阴极材料的生产、电极涂覆后的干燥过程以及干燥室中干燥单元的操作。目前,电动汽车主要分为三类:混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车。这些车辆的内桶包含许多锂离子单电池,例如日产聆风电动汽车的24kWh电池模块,该模块包含192个单电池,重量为640磅。雪佛兰Volt的16kWh电池模块包含288个电池,重量435磅。如此多的锂离子电池在生产过程中必须消耗大量的能量,但在过去,由于缺乏直接的工厂数据,生产过程中的能量消耗经常被估计,因此获得的数据也有很大的差异。

凯斯西储大学(case western reserve university university)的Chris Yuan直接从JohnsonControl Inc收集生产数据,并基于工业生产流程分析了24kWh锂离子电池的生产能耗。24kWh锂离子电池组件的生产能耗主要分为三部分:电池材料生产消耗29.9GJ,锂离子电池生产消耗58.7GJ,电池组组装消耗0.3 GJ。。

电池材料生产能耗

Chris Yuan分析称,24kWh锂离子电池模块的锂离子单电池使用了锰酸锂阳极和石墨阴极。首先,我们分析了电池中原材料的能耗。在锂离子电池中,正极的组成比为LMO:炭黑:PVDF=89:6:5,负极的组成为石墨:CMC=95:5,负极与正极的容量比为1.2,还包含电解质、隔膜、集电器和电池壳,每个电池重868g,然后将12个电池连接到电池模块中,并将16个模块连接到电池组中。因此,一个电池组包含192个单电池,电池组的总重量为221.6千克,其中166.6千克单电池、8.9千克冷却系统、8.5千克BMS和37.6千克结构构件。电池组不同部件的重量比如下图所示。

Discovery, Nissan

计算了每种材料的能耗,发现LMO阴极材料的最大能耗为4890MJ,而石墨阴极的最大能耗仅为1671MJ,铜和电池结构的最大能耗分别为4737MJ和4241MJ。因此,生产一个24kWh的电池,原材料的能耗为29.9 GJ。。

锂离子电池生产中的能源消耗

锂离子电池的生产工艺如下图所示,主要包括均质化、涂覆和干燥、切割、电池芯缠绕、电池组装、液体注入和成型等工艺。其中,能耗较高的部分主要是电池生产过程中电极的干燥过程和干燥室干燥单元的运行成本。例如,在一个每天可生产400个电池的干燥室中,干燥单元和锂离子电池生产设备的工作功率达到64.8kW。

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Discovery, Nissan

锂离子电池生产中每一步的能耗如下表所示,其中38%的能量消耗在电极干燥过程中,43%消耗在干燥室的操作中,整个24kWh电池组在单电池生产中的能耗为58.7GJ。

Discovery, Nissan

电池组装配能耗

由于电池组的组装主要是人工完成的,能耗仅为0.03kWh/kg,因此整个24kWh电池组的能耗仅为0.3GJ。

Discovery, Nissan

从以上分析可以看出,24kWh电池组整个生产过程的总能耗达到88.9GJ,其中单体电池和原材料生产过程的能耗相对较高,不同部件的生产能耗占了上图的比例。Chris Yuan的研究还发现,环境温度和PVDF溶液的浓度对锂离子电池生产中的能耗有很大影响。例如,当环境温度从10℃提高到25℃时,干燥室的能耗降低了8%。环境湿度对生产能耗也有很大影响。如果PVDF胶溶液的浓度从4%降低到2%,电池组的生产能耗可以从50.1kWh/kg降低到40.5kWh/kg。

Discovery, Nissan来源:第一电气网作者:平兰俯瞰新能源领军人物

在中国政府的大力推动下,国产电动汽车发展迅速。与传统燃油车相比,电动汽车具有加速性能好、行驶安静、“零排放”等诸多优点。因此,电动汽车的市场份额不仅在中国,而且在世界各地都在快速增长。据相关机构预测,2020年全球电动汽车销量将达到1300万辆,2030年将达到2.3亿辆。随着电动汽车的大规模普及,2030年美国的温室气体排放量可以比2005年减少20%-69%。

虽然电动汽车不会直接排放有害气体和污染物,但事实上,它们在电动汽车的生产和使用过程中仍会间接产生一定的污染。例如,电动汽车中使用的锂离子电池在生产过程中需要消耗大量能量,而锂离子电池需要在电动汽车使用过程中充放电,这会消耗能量并间接产生污染物排放。

在锂离子电池的生产过程中,主要能源消耗发生在电池生产过程中的阳极和阴极材料的生产、电极涂覆后的干燥过程以及干燥室中干燥单元的操作。目前,电动汽车主要分为三类:混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车。这些车辆的内桶包含许多锂离子单电池,例如日产聆风电动汽车的24kWh电池模块,该模块包含192个单电池,重量为640磅。雪佛兰Volt的16kWh电池模块包含288个电池,重量435磅。如此多的锂离子电池在生产过程中必须消耗大量的能量,但在过去,由于缺乏直接的工厂数据,生产过程中的能量消耗经常被估计,因此获得的数据也有很大的差异。

凯斯西储大学(case western reserve university university)的Chris Yuan直接从JohnsonControl Inc收集生产数据,并基于工业生产流程分析了24kWh锂离子电池的生产能耗。24kWh锂离子电池组件的生产能耗主要分为三部分:电池材料生产消耗29.9GJ,锂离子电池生产消耗58.7GJ,电池组组装消耗0.3 GJ。。

电池材料生产能耗

Chris Yuan分析称,24kWh锂离子电池模块的锂离子单电池使用了锰酸锂阳极和石墨阴极。首先,我们分析了电池中原材料的能耗。在锂离子电池中,成分比例……

f正极为LMO:炭黑:PVDF=89:6:5,负极成分为石墨:CMC=95:5,负极与正极的容量比为1.2,还含有电解质、隔膜、集电器和电池壳,每个电池重868g,然后将12个电池连接到电池模块中,将16个模块连接到电池组中。因此,一个电池组包含192个单电池,电池组的总重量为221.6千克,其中166.6千克单电池、8.9千克冷却系统、8.5千克BMS和37.6千克结构构件。电池组不同部件的重量比如下图所示。

Discovery, Nissan

计算了每种材料的能耗,发现LMO阴极材料的最大能耗为4890MJ,而石墨阴极的最大能耗仅为1671MJ,铜和电池结构的最大能耗分别为4737MJ和4241MJ。因此,生产一个24kWh的电池,原材料的能耗为29.9 GJ。。

锂离子电池生产中的能源消耗

锂离子电池的生产工艺如下图所示,主要包括均质化、涂覆和干燥、切割、电池芯缠绕、电池组装、液体注入和成型等工艺。其中,能耗较高的部分主要是电池生产过程中电极的干燥过程和干燥室干燥单元的运行成本。例如,在一个每天可生产400个电池的干燥室中,干燥单元和锂离子电池生产设备的工作功率达到64.8kW。

Discovery, Nissan

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锂离子电池生产中每一步的能耗如下表所示,其中38%的能量消耗在电极干燥过程中,43%消耗在干燥室的操作中,整个24kWh电池组在单电池生产中的能耗为58.7GJ。

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电池组装配能耗

由于电池组的组装主要是人工完成的,能耗仅为0.03kWh/kg,因此整个24kWh电池组的能耗仅为0.3GJ。

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从以上分析可以看出,24kWh电池组整个生产过程的总能耗达到88.9GJ,其中单体电池和原材料生产过程的能耗相对较高,不同部件的生产能耗占了上图的比例。Chris Yuan的研究还发现,环境温度和PVDF溶液的浓度对锂离子电池生产中的能耗有很大影响。例如,当环境温度从10℃提高到25℃时,干燥室的能耗降低了8%。环境湿度对生产能耗也有很大影响。如果PVDF胶溶液的浓度从4%降低到2%,电池组的生产能耗可以从50.1kWh/kg降低到40.5kWh/kg。

Discovery, Nissan

标签:发现日产

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