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做電池最難的一關(guān),是起名字|技術(shù)流

本文的標題是《做電池最難的一關(guān),是起名字|技術(shù)流》來源于:由作者:陳銳意采編而成,主要講述了文 | 嗷嗷胡刀片電池、彈匣電池、琥珀電池、大禹電池、811電池、523電池、4680電池、NCM電池、NC

文 | 嗷嗷胡

刀片電池、彈匣電池、琥珀電池、大禹電池、811電池、523電池、4680電池、NCM電池、NCA電池、大模組電池、CTP電池、CTC電池、摻硅補鋰電池、高鎳電池、無鈷電池、鈉離子電池、鋰金屬電池、固態(tài)電池、固液混合電池、南孚聚能環(huán)電池……

請在不百度不求助的前提下,答出以上每種電池名字之來由,最后一個不加分。


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比亞迪“刀片電池”


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廣汽埃安“彈匣電池”


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蔚來“固態(tài)電池”

不知道從什么時候開始,做電池變得很像生孩子:懷胎十個月難不住大家,最后為起啥名字撓破頭。具體作品表現(xiàn)如何,還不是多么緊要;可名字一旦沒起好,“楚中天”也會變成“林蛋大”。

這是一門藝術(shù),更是一門技術(shù)。

有走形意派的,你看這個電池它又扁又長,就像那個刀片它又長又扁,于是有了“刀片電池”;有打心理學的,雖然“彈匣”從來與“防彈”無關(guān)(那不是防彈衣的事兒么),但不影響群眾印象里軍工相關(guān)都很硬,于是有了“彈匣電池”;有搞意識流的,你看我們這個定向排爆設(shè)計,像不像千年前大禹治水疏而不堵,于是有了“大禹電池”……

為了讓你能記住自家電池,文理工商農(nóng)醫(yī)法,全招呼上了。

至于什么811/523、4680、固態(tài)/半固態(tài)、CTP/CTC這類純技術(shù)性質(zhì)的命名,就不是普通消費者僅靠生活常識就能融會貫通了。于是當來自技術(shù)角度的“客觀稱呼”,與前面廠商們的“主觀命名”混雜在一起,混合疊加之下別說消費者了,從業(yè)人員看一遍也只覺頭大。


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電芯封裝:刀片、4680

還是先從最簡單、最熟悉、最好理解的說起。

比亞迪的“刀片電池”,實際上代表了三層含義:磷酸鐵鋰(電芯化學配方)、扁長形(電芯封裝形態(tài))、CTP(電芯成組方式)。而刀片這個名字,只是來自其中的電芯物理形態(tài)(長得像刀片)。理論上講,倘若不是比亞迪使用在先(并綁定了更多含義),任何長條形電芯其實都可以叫“刀片”。


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(僅限定物理形態(tài)的)“刀片”類似的,還有大家聽了好多年的18650、21700(2170)電池。比如“18650”,代表“直徑18mm、高度65mm”的圓柱形(最后一個0)電芯。當你看到這樣一串數(shù)字,就知道這個電芯長什么樣。

所以互聯(lián)網(wǎng)一度流傳著“特斯拉電池和充電寶一樣”的低智說法,其實“一樣”的只是個物理規(guī)格而已。就好比我的腳是42碼,梅西的腳也是,我也不好說我有一雙和梅西“一樣”的腳……


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4680是特斯拉最新一代電芯的物理規(guī)格:直徑46mm、高度80mm、圓柱形。未來幾年它會越來越頻繁出現(xiàn),直到實車上路。不難看出從1865到2170再到4680,圓柱電芯的單體尺寸在變大。

除了這些圓柱電芯,目前電動車更常用的是所謂方形電芯和軟包電芯。由于直徑/高度有固定的組合,圓柱電芯基本都是“有名字的”。而后兩者則多“默默無聞”,像“刀片電池”就是方殼中的一個特例。


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圓柱、方殼、軟包

這一類名字,本身僅代表著物理形狀、尺寸、規(guī)格。但因為其中某些名字是與其他技術(shù)相伴而生的,這才讓它們有了更多其他含義。比如“刀片電池”與磷酸鐵鋰、CTP綁定了,比如特斯拉的4680與CTC(后面說)綁定了。

電芯成組:大模組、CTP

“大模組電池(電池包)”和“CTP電池(電池包)”是近來越來越常見的名字,它們已實現(xiàn)了實用化、裝車、量產(chǎn),正在逐漸走向主流的過程中。

眾所周知,電芯(Cell)是組成一整個電池包(Pack)的最小單位;在之前,二者間通常有一個中間層級,即模組(Module)。模組的大小是一個相對而非絕對概念,不存在“多大的模組才算大模組”這樣的問題。


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電芯-模組-電池包

大模組的潛臺詞,是模組數(shù)量更少,單個模組內(nèi)的電芯更多(小模組自然反之)。在今天,模組最主要的作用就是提高安全性。在同樣電芯的情況下,模組更大意味著模組數(shù)量更少,模組間的間隔導致的空余空間更少,整個電池包的體積能量密度也就更高。

但大模組化,單個模組內(nèi)的電芯數(shù)量也更多,單個電芯出問題可能波及到更多電芯。說白了,這是一個“同樣數(shù)量雞蛋分多少個籃子裝”的問題。

所以大模組電池,需要電芯單體的安全性更高、電池包的安全措施更嚴密作為保證。把模組做大本身不是難事,讓大模組電池保持安全性才是難關(guān)。


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榮威的大模組電池包,可見只有6個模組


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奧迪e-tron,典型的小模

大模組發(fā)展到極致,就是去掉模組這個中介。相當于整個電池包即是唯一的模組,一個個電芯直接組成電池包,即CTP(Cell-to-Pack)技術(shù)。

作為大模組的極端化形態(tài),CTP電池包對安全性要求更高。所以最早的CTP電池包都使用相對更安全的磷酸鐵鋰電芯,最典型的還是比亞迪“刀片電池”。寧德時代的三元鋰CTP電池包則接近裝車,如蔚來的100kWh電池包、75kWh混裝電池包。

特斯拉以4680電芯為基礎(chǔ)的下一代電池系統(tǒng),其實也是CTP無模組電池包,只不過這一點被更具突破意義的CTC技術(shù)所囊括在內(nèi)了。


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特斯拉4680電池包,可見已無模組

整包技術(shù):彈匣、大禹、琥珀

雖然“彈匣”與“刀片”齊名,或者說是目前最接近刀片知名度的電池系統(tǒng),但實際上二者之得名完全不是一碼事。“刀片”直接得名于前所未有的物理形狀(盡管成為專有名詞后,有了更多含義),而“彈匣電池”則很顯然并非“長得像彈匣”。

這是一個很概念化的命名。廣汽埃安說“將電池置于安全艙,型似‘彈匣’”,但問題這么解釋的話,有哪一家的電池系統(tǒng)不是“將電池置于安全艙”呢?更何況,槍械彈匣的主要作用也不是防止內(nèi)裝子彈爆炸。能不能是一回事,**匣就沒這任務(wù)。


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所以說彈匣電池是一個更具包裝色彩的命名,你可以理解為廣汽埃安將一系列電池安全技術(shù)打包,并冠以一個好懂好記的名字。鑒于形態(tài)上(與幾乎所有電池一樣)有“包圍”電芯的效果,于是想出了形似而神不似的“彈匣”作為名字——我猜這個宣發(fā)團隊里應(yīng)該并無軍迷,否則估計忍不了“彈匣防炸”這個邏輯bug。

以上評價僅針對其命名,并不涉及電池的性能表現(xiàn)。

到了長城的大禹電池,這樣單純“起個名字”的概念式命名更加顯而易見——很顯然電池怎么也不可能像大禹(人類)。顯然長城也并不掩飾這一點,大禹電池的命名來自其“變堵為疏”的防爆設(shè)計理念。最“大禹”之處,是設(shè)計了多個定向排爆通道,發(fā)生熱失控時將燃爆導出電池外部。


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“彈匣”和“大禹”在命名方式上很相似,盡管廣汽埃安對彈匣電池有形態(tài)上的解釋,但這種解釋略顯牽強,而與大禹電池更接近的概念意味更濃。作為概念化命名的電池系統(tǒng),二者主要的特點多在整個電池包(Pack)層面:設(shè)計隔熱材料、改進冷卻系統(tǒng)、設(shè)置防爆閥等等。

或者不妨這么理解,彈匣/大禹電池假如換上“刀片”電芯,就成了“使用‘刀片電池’的‘彈匣/大禹電池’”。

也并不是所有整包層面的技術(shù),就只能以概念化方式命名。嵐圖的琥珀電池,得名于其電池包內(nèi)填充了隔熱材料,讓每單個圓柱電芯處于單獨保護下,以防范熱擴散。這種“因形得名”的方式比“彈匣”更像“刀片”,盡管二者的主要技術(shù)點完全不同:像“琥珀”的是電池包內(nèi)構(gòu)(隔熱膠),像“刀片”的是電芯。


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特斯拉展示的CTC概念圖

CTC即Cell-to-Chassis,被歸為電池整包技術(shù),其實稍稍有些牽強。因為CTC已經(jīng)不存在**的“電池包”,電池殼體與車輛底盤/下車體是整合在一起的。這已經(jīng)延伸到電池系統(tǒng)之外,涉及到車身結(jié)構(gòu)的改變,也可以認為是電動車白車身設(shè)計的一部分。

特斯拉使用4680電芯的下一代電池,即采用了CTC結(jié)構(gòu)。Cell-to-Chassis,而不是Cell-toModule-to-Chassis,所以前面說CTP概念是被CTC包含其中的,既然CTC了那肯定是CTP。CTC將電芯與車身之間的結(jié)構(gòu)減少了整整一層,可以顯著減少整車重量,進而改善性能增加續(xù)航。


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使用4680電芯CTC電池的Model Y

特斯拉的CTC電池包前不久在德國工廠做了展示,量產(chǎn)大概就在近一兩年。大眾也宣布將在下一代電動平臺應(yīng)用CTC技術(shù)。寧德時代也宣布了CTC開發(fā)計劃,但由于CTC涉及到白車身整合,對于電池供應(yīng)商可能并非易事。

電極材料:高鎳無鈷、摻硅補鋰

熟悉電動車的讀者,應(yīng)該對磷酸鐵鋰、三元鋰很熟悉了,也應(yīng)該知道三元鋰的兩種主流配方NCM鎳鈷錳和NCA鎳鈷鋁,還可能知道NCM有5:2:3和8:1:1兩種“經(jīng)典配比”(鎳:鈷:錳),前者更穩(wěn)妥后者更激進。

這里的磷酸鐵鋰、NCM與NCA,指的都是電池正極的材料。無論“鐵鋰”還是“三元”,無論是NCM三元還是NCA三元,目前的負極材料大多都是石墨,電解質(zhì)(電解液)則是含有鋰鹽的有機溶劑。

發(fā)展?jié)摿Ω愕娜嚕巯碌内厔菔翘岣哝嚭俊⒔档外捄?span style="color: #B2B2B2">(從523到811的發(fā)展就能看出)。所以出現(xiàn)了所謂高鎳電池、低鈷電池乃至無鈷電池,這些描述的都是電池正極材料,只是不像“523”“811”那么具體到比例。


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鎳是提高能量密度的關(guān)鍵,但過高的鎳含量會帶來穩(wěn)定性和循環(huán)壽命方面的難題。與之相對應(yīng)的,鈷的作用是抑制鎳離子導致的混亂,從而提高穩(wěn)定性與延長使用壽命。同時,鈷是一種有毒的稀有金屬,不僅價格昂貴產(chǎn)量受限,并且開采中的人權(quán)問題一直是世界級難題。

高鎳電池的難點是鎳含量提升后的電池穩(wěn)定性,而無鈷電池則需要尋找其他手段比如納米級的微觀結(jié)構(gòu),代替鈷來行使提高穩(wěn)定性、延長壽命的作用。

特斯拉一直在致力于降鈷乃至去鈷化,其目標是在下一代產(chǎn)品將鈷含量降到僅3%。而真正意義上的無鈷電池,目前是長城旗下的蜂巢能源搶先一步量產(chǎn)裝車。


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蜂巢能源無鈷電池包

至于負極材料,最近的趨勢是摻硅,對,“摻硅補鋰”的那個摻硅。因為目前最常用的碳負極已經(jīng)接近其能力上限,成為鋰電池提升能量密度的短板,而硅的克容量(決定放電能力)超過碳10倍有余。但硅存在充放電體積變化太大的問題,所以目前的做法是逐步提高碳硅負極中的硅含量。


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更激進的舉措是將石墨負極改為鋰金屬單質(zhì),即鋰金屬電池。這是一種尚未投入量產(chǎn)的未來電池技術(shù)。

鋰金屬電池不是個新鮮詞,但以前的鋰金屬電池屬于一次性電池,而非充電電池。這是因為在充電時,金屬鋰會在負極沉積產(chǎn)生不規(guī)則的枝晶,枝晶生長會有刺破電池外殼、漏液、短路的危險。


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鋰枝晶是個大難題

但另一方面使用鋰金屬代替石墨作為負極,大大增加了在放電過程中負極能夠提供的鋰離子(畢竟整塊都是鋰),這對于提高能量密度有顯著的效果。在這種誘惑下,還是有人投身鋰金屬電池,比如SES使用特殊的混合電解質(zhì)來解決枝晶問題,讓尖銳的枝晶生長轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗练e。

SES剛剛展示的鋰金屬電池樣品,單體能量密度達到了驚人的417Wh/kg,這已經(jīng)達到了未來固態(tài)電池的目標能量密度。并且鋰金屬電池改變的只是負極和電解質(zhì),在正極材料和電解質(zhì)固液形態(tài)上仍有空間。

電解液:固態(tài)與半固態(tài)

聽起來就很科幻的固態(tài)電池,大概是出現(xiàn)頻率最高的“未來電池”品類。就連常年diss電動車的豐田章男,也曾表示自己并非不看好電動車,而是不看好液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池,需要等固態(tài)電池就位。

現(xiàn)在我們能買到的電動車,無論磷酸鐵鋰還是三元鋰,無論刀片還是彈匣,無論NCM811還是無鈷,無論圓柱還是方殼,無論2170還是4680……無一例外,其中的電解質(zhì)通通都是純液態(tài)(電解液)


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液態(tài)、固態(tài)的電解質(zhì)

液態(tài)電解液存在著很多麻煩——絕大多數(shù)東西,液態(tài)都是比固態(tài)要麻煩,比如火箭燃料。只要是液體,就存在泄露的風險,電解液泄露導致的短路風險,一直是各大廠商研發(fā)電池系統(tǒng)時重點考慮的。

液態(tài)電解質(zhì)使用的有機溶劑通常是可燃性的,而固態(tài)電解質(zhì)則要安全得多(并且不易泄露),這就有了提升能量密度的前提,電池發(fā)展一直都在能量密度和安全穩(wěn)定之間徘徊。另外固態(tài)電池的體積更緊湊,允許使用鋰金屬電極(SES鋰金屬電池就是固液混合電解質(zhì)),進一步推升了能量密度。

但固態(tài)電池距離實用化依然還早,主要的難題是固態(tài)電解質(zhì)的導電率、快速充電能力和生產(chǎn)成本等等。目前的主流觀點是要到2025年之后,固體電池才會真正成熟。在這之前,只有固液混合的半固態(tài)電池可能更早實用化。


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蔚來的固態(tài)電池并非全固態(tài)

蔚來隨ET7發(fā)布、宣稱2022年四季度裝車的所謂固態(tài)電池,后來被證明是仍存有部分液態(tài)電解質(zhì)的固液混合態(tài),即半固態(tài)電池。智己汽車的所謂“摻硅補鋰”,本質(zhì)上也帶有部分半固態(tài)電池的特點。

與以上所有基于鋰元素的電池比起來,寧德時代今年發(fā)布的鈉離子電池是個全然不同的開始。作為一種全新意義上的充電電池,目前還處在比較初級的階段。鋰作為分子質(zhì)量最輕的金屬材料,是當之無愧的最佳電池材料,而鈉的分子質(zhì)量僅重于鋰。

鈉離子電池的目標并非三元鋰,而是指向能量密度已經(jīng)基本到頂、同樣在成本方面有優(yōu)勢的磷酸鐵鋰電池。既然都是走性價比路線,儲量豐富價格低廉的鈉,長遠來講,或許比價格水漲船高、礦產(chǎn)依賴進口的鋰要有優(yōu)勢。但眼下,鈉離子電池還處在一個比較初級的階段。


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鈉離子電池的目的并不是替代鋰電池

電池的名字實在太多了,篇幅不夠用,本人腦子也快不夠用了。

這其中有些是客觀事實,實實在在的新技術(shù)自然會帶來新名字;有些則是主觀意志,用簡單好記的名字來打包概括自己的賣點。有些讓人眼前一亮,好奇心求知欲爆棚,有些讓人腦袋一大,你呀總能給我出點新花樣。

偏偏市場的認知是,好名字不是**的,但沒有一個好名字是萬萬不能的。消費者永遠是熱衷于把問題總結(jié)化,更希望得到一個直接的“A or B”回答,甚至哪怕A和B根本不是可比對象。刀片好還是彈匣優(yōu)?特斯拉4680和蔚來固態(tài)誰更強?都是無法回答、根本不成問題的問題。

盡管有效果不錯的案例在前,但并非只要依樣畫葫蘆就會有收效。概念化的打包命名是一把雙刃劍。如果拿捏得當,第一眼簡單易懂,回過頭又讓人心領(lǐng)神會,加強記憶;但如果牽強附會,第一眼是不知所謂,看穿了只剩一句:就這?

比沒有一個好名字更差勁的,是空心化的為了命名而命名。

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