钠电是否真的适用于低温环境(-20°)的新能源车

直接放结论:不适合;低温时,钠电的电池容量损耗37%大于锂电的电池容量损耗25%,更重要的是,钠电的等效电阻低温情况下指数级放大,导致的实际输出功率损耗超过50%,而同等工况变化下,锂电的实际输出功率损耗在10%(25°至-20°),钠电车辆根本没办法在40-80km/h中段实现加速。

直观的佐证:挪威作为世界纬度最高的国家之一,年均温度只有1.5°,冬季为-7°;同时作为新能源车渗透率最高的国家(新车渗透率98%),其新能源车全部使用的LFP磷酸铁锂和三元电池,靠的是优秀且成熟的BMS电池管理系统。

中国东北三省年均温度2.9°,整个东北冬季的平均温度在-10至-20°之间。年均温度略高于挪威,冬季温度略低于挪威。极端情形下,考虑-20°的低温环境既可。

新能源车的低温环境使用,主要有两个决策的主导因素:1.电池容量,2.电池功率

1.电池容量

在常温25°至低温-20°变化过程中,钠电与锂电的电池容量衰减趋势

钠电

数据来源:网页链接

以25°时为标准工况100(1261.4mAh),钠电-20°时电池容量下降为800.5mAh,下降幅度为1-(800.5/1261.4)=37%

锂电

数据来源:网页链接

同样以25°为标准工况100,锂电-20°时电池容量下降为74.8,下降幅度为1-74.8=25.2%

结论:25°至-20°工况时,锂电电池容量下降25.2%,远小于钠电电池容量下降37%

2.电池功率

2.1 功率决定了车辆在中高速段的加速和持续高速输出能力,功率 P=V*I,代入公式得到

P=(Vocv−I⋅Reff)⋅I, Vocv为理论电压,I为电流,

Reff为关键变量等效电阻,当低温导致等效电阻上升时,会导致I*Reff变大,从而导致输出功率P的降低

Reff等效电阻包括了电解液,电极反应,离子扩散

Reff=Relec(电解液)+Rct(电极反应)+Rdiff(离子扩散)

这里又要回到钠锂的离子属性第一性原理,在低温情况下,钠/锂的电解液/电极反应/离子扩散都会朝着等效电阻增大的方向变化,但是由于钠离子直径是锂离子直径的1.6倍,导致在低温情况时,金属离子的移动惰性被放大,钠电的Rdiff增速会显著高于锂电。

在工程实验中,Rct(电极反应)+Rdiff(离子扩散)通常会被拟合为*Rct

2.2 不同温度时Reff等效电阻变化倍率

钠电

数据出处:网页链接

钠电的实验数据中,5°已经是“极端工况”,以25°为标准工况

对应5°时的RΩ增加倍率=11.2/8.51=1.31,Rct增加倍率=439/41.9=10.4倍,合计为11.7倍

锂电

数据出处:网页链接

以25°为标准工况

对标“极端情况”5°时,RΩ增加倍率=4.64/4.39=1.05,Rct增加倍率=1.62倍,合计2.67倍,而钠电此时增长11.7倍!

极端低温-20°时,RΩ增加倍率=4.9233/4.3943=1.12倍,Rct增加倍率=34.08/4.6=7.4倍,此时钠电等效增长应该在数百倍!

结论:25°至5°工况时,锂电的等效电阻仅上升了2.67倍(1.05+1.62),而钠电等效电阻上升了11.71倍(1.31+10.4);对应的电池功率P=(Vocv−I⋅Reff)⋅I中,Reff变化越大,实际输出的功率越低。

在汽车中段加速中,锂电的功率损耗大概在5%,钠电的功率损耗大概在15%。但这仅仅是25°对应5°的变化,钠电的Reff等效电阻随温度的降低,呈现指数级的放大效应,当温度降低到-20°时等效电阻预计放大数百倍,对应此时锂电等效电阻放大仅7.4倍;从功率角度看,锂电的损耗大概在10%,而钠电的损耗超过50%



作者:趋势de朋友
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来源:雪球
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