车用动力锂离子电池生产耗能分析

1、车用动力锂离子电池生产耗能分析在中国政府的大力推动下，国内电动汽车迅速发展，相 比于传统的燃油汽车电动汽车具有诸多优势，例如加速性能 好，行驶安静，“零排放”等，因此不仅仅在中国，在全世 界范围内，电动汽车的市场份额都在快速增加。据相关机构 预测，全球电动汽车的销量在2020年将达到1300万辆，而到2030年将达到2.3亿辆，随着电动汽车的大规模普及， 在2030年，可以使的美国的温室气体排放量相比于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等，但是 实际上在电动汽车的生产和使用过程中仍然会间接的产生 一定污染，例如电动汽车所用的锂离子电池在生产过程中需 要消耗大

2、量的能量，在电动汽车使用过程中还需要对锂离子 电池进行充放电，这些都会消耗能量，从而间接的产生污染 物的排放。在锂离子电池的生产过程中，主要能耗发生在正、负极 材料生产，电极涂布后的烘干过程和电池生产过程中干燥问 干燥机组运行等过程。目前电动汽车主要分为三大类：混合 动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车，这些汽车内 斗包含众多的锂离子单体电池，例如日产leaf电动汽车的24kWh电池模块，就包含 192只单体电池，重达 640磅， Chevrolet Volt的16kWh电池模块，包含 288只电池，重达 435磅，如此众多的锂离子电池在生产过程中必然要消耗大 量的能量，但是以往估算动力锂

3、离子电池组的生产能耗中， 由于缺乏直接的工厂数据，生产过程中的能耗往往是通过估 算进行的，因此得由的数据也有很大的差异。美国凯斯西储大学大学的 Chris Yuan直接从 JohnsonControl Inc.公司采集了生产数据，基于工业生产过程对24kWh锂离子电池组的生产能耗进行了分析。24kWh锂离子电池模块的生产能耗主要分为三大部分：电池材料的 生产消耗29.9GJ,锂离子电池的生产消耗 58.7GJ,电池组 的组装消耗0.3GJ能量。电池材料生产能耗Chris Yuan分析的24kWh锂离子电池模块的锂离子单体 电池采用的为镒酸锂正极和石墨负极，首先我们一起分析电 池中的原材料生产的

4、能耗。在锂离子单体电池中，正极的组 成比例为LMO炭黑：PVDF=89:6:5,负极组成为：石墨： CMC=95:5负极正极容量比为 1.2 ,还包含电解液，隔膜， 集流体、电池外壳，每只单体电池重量为868g,然后12只单体电池连接为电池模块，16个模块连接为电池组， 再加入 BMS冷却系统。因此，在一个电池组中包含192只单体电池，电池组总重量为 221.6kg ,其中，单体电池 166.6kg ,冷却系统8.9kg , BMS8.5kg,结木勾件37.6kg ,电池组不同部分的重量比例入下图所示LMO battery masscomposon21%LMO battery pack mas

5、s: 221,6 kgNegative electrode pasteCoppper cu r re nl collectorPositive electrode pasteAlumtnium current coBoctor, Etodrolyte, SeparatorCeflcontamer BMS1 Coding system"packaging对各个材料的生产能耗进行计算发现，LMOE极材料的生产耗能最高达到 4890MJ,而石墨负极生产的耗能仅为 1671MJ,铜和电池组结构件的耗能也分别达到了4737MJ和4241MJ,因此生产一个 24kWh的电池组，原材料的耗能为 2

6、9.9GJ 。锂离子电池生产过程中的能耗锂离子电池的生产过程如下图所示，主要包含匀浆、涂 布和烘干，分切，电芯卷绕，电池装配，以及注液和化成等过程，其中能耗比较高的部分主要是电极的烘干过程和电池 生产过程中干燥间的干燥机组运行成本，例如一个可以每天 生产400只电池的干燥间，干燥机组和锂离子电池生产设备 的运行功率达到 64.8kWElectroderationMiid的 and C0M1 的Cathode, anode, carbon black r 1 典W .Binder, NMP1111 kg Recowd NMP +DryingCoated ectrodes "Separa

7、torCal修Man eg_.10J kg日ectrolyl.".Cell conraintif ' * *VCooing systefn-触&.5 KqBMS Pack a-Bsemblyhl _ t 3工6 凝口Pack pAckaing Cens _166'”川 j锂离子电池生产过程中每个步骤的能耗，如下表所示, 其中有38%勺能量消耗在了电极干燥过程，43%肖耗在干燥问 的运行中，整个 24kWh电池组消耗在单体电池生产过程中的 能耗为58.7GJ。Table 1Unit prusc能 energy <vruunipiivn in bdlcery

8、 manring,Unit processTime(min)Energy use per cdl(kWhSpecific tnersy ust per pack (kWhkg 1 jMixing1.0an0,12Coating0.30,180®Drying】926；口19-29CakmJjr ing12038L15白皿标口口3.00712J4Stckin3.00772.36Wilding & idling120250.72UPFSliing12059OJOFitul waling生G0.10Lfi7Pre-charging93.70。7O.30Dry roam13.23.92

9、1.7SBat lerjf pdtk assembly/0,03电池组的组装能耗由于电池组的组装主要由人工完成，因此能耗仅为 0.03kWh/kg ,因此整个24kWh电池组的电池组装能耗也仅为 0.3GJ oBattery p»M 四BtaOjerv ml ebtxmduring battery (natefiate100,000K>.00070.0004D.0QD物mo1K1%Mx“皿 SMirq Dfyhg Calemhr 中NotcNog&(Klvng WaUinq&MdlrEF«tn)lyte inj&ctan and wadi购 R

10、M aeabngDrynnm condhonhg 初面州J必收30.0UM.80他如LM9f*phH bvttvy 产kBftttfy rruttriaiB LUOAJuninium currenl cd tee tor Graph 描CW OrfWrt UlKtarCarbon tteck Kind# LFPEthylene 口中onii电 如araiorCelcontMnerSflRjsry managetrieflil syslsrrC0r吗厂 H声1 p»从上述分析可以看到，整个 24kWh电池组生产过程中总 的能耗达到了 88.9GJ的能量，其中主要是单体电池生产和 原材料的生产过程能耗较高，不同部分的生产能耗占比