[论文解读] Comparing the suitability of Lithium ion, Lithium Sulfur and Lithium air batteries for current and future vehicular applications

Gorazd Lampič, Gorazd Gotovac+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2016

Advanced Battery Technologies Research参考文献 47被引用 3

一句话总结

本研究通过使用驾驶循环数据对不同车型的性能需求进行建模，评估了锂离子（Li-ion）、锂硫（Li-S）和锂氧（Li-O2）电池在当前及未来车辆应用中的表现。研究发现，尽管当前的锂离子电池在比能量和成本方面存在不足，但若充分实现，锂硫和锂氧技术有望满足未来需求，然而在循环寿命、稳定性及可扩展性方面仍存在重大未解难题。

ABSTRACT

In this report, future performance demands of batteries for various vehicular applications are modeled. Vehicles ranging in size from electric bikes to heavy trucks are assessed using driving cycle data which allows key performance parameters such as desired range (km), specific energy of the battery (Wh/Kg), cycle life requirement and expected price per unit capacity (Euro/kWh) to be calculated. These projected performance requirements are compared with the outputs for three existing Li-ion batteries (namely (a) Kokam based high specific energy source (b) A123 based high power energy source and (c) Winston low cost system). The theoretical, current state of the art and projected performance parameters for 'beyond Li-ion' technologies (Li-S and Li-O2) are also compared to the modeled battery performance demands. The analysis indicates that current battery technologies are unlikely to meet future requirements in terms of required specific energies and will likely be too costly. In comparison, fully realized beyond Li-ion alternatives may deliver the required specific energy for the full range of vehicles examined. However, scale-up of these systems is a daunting challenge and their successful implementation will depend on improvements in terms of cycle life, electrode and electrolyte stability, rate performance and development of practical battery architectures.

研究动机与目标

• 对从电动自行车到重型卡车等各种车型建模未来的电池性能需求。
• 评估当前锂离子电池技术是否能够满足未来在比能量、循环寿命和成本方面的需求。
• 评估新兴的非锂离子技术——锂硫和锂氧电池——是否能够满足这些未来需求。
• 识别限制锂硫和锂氧系统可扩展性与实际应用的关键技术障碍。

提出的方法

• 分析了各类车型的驾驶循环数据，以推导出电池所需参数，如续航里程、比能量（Wh/kg）、循环寿命和每千瓦时成本。
• 评估了三种代表性当前锂离子电池系统：高比能量（基于Kokam）、高功率（基于A123）和低成本（基于Winston）变体。
• 整理并对比了锂硫和锂氧电池的理论、最先进及预测性能指标，与建模的车辆需求进行比较。
• 使用比能量、循环寿命和每千瓦时成本等定量指标，将性能需求与当前及预测的电池技术进行基准对比。
• 在不同车辆类别之间进行对比分析，以评估各类技术在全范围应用中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前的锂离子电池技术能否满足所有车型在未来在比能量、循环寿命和成本方面的需求？
• RQ2 锂硫和锂氧电池在多大程度上能够满足多样化车辆应用的未来性能需求？
• RQ3 哪些关键技术限制——特别是循环寿命、电极稳定性及电解质降解——阻碍了非锂离子电池系统的可扩展性？
• RQ4 不同车型类别的电动车辆性能目标有何差异，这对电池技术选择有何影响？

主要发现

• 当前的锂离子电池技术在满足未来比能量需求方面存在不足，尤其是在重型和长距离车辆中。
• 高比能量的Kokam基锂离子系统可实现约250 Wh/kg，仍低于长距离电动卡车所需的400–500 Wh/kg。
• 锂硫和锂氧电池的理论比能量分别高达500–600 Wh/kg和1000 Wh/kg，使其成为未来应用的有前途候选。
• 循环寿命仍是锂硫和锂氧系统的关键瓶颈，当前原型仅实现数十至数百个循环，远低于商业可行性所需的1,000+个循环。
• 电极和电解质的不稳定性以及较差的倍率性能，严重限制了非锂离子技术的实际部署，尽管其理论能量密度很高。
• 当前锂离子电池的每千瓦时成本仍高于100欧元/kWh的目标，尽管锂硫和锂氧可能降低成本，但大规模制造挑战依然存在。