在中國政府的大力推動下，國內(nèi)電動汽車迅速發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的燃油汽車電動汽車具有諸多優(yōu)勢，例如加速性能好，行駛安靜，“零排放”等，因此不僅僅在中國，在全世界范圍內(nèi)，電動汽車的市場份額都在快速增加。

 

據(jù)相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，全球電動汽車的銷量在2020年將達(dá)到1300萬輛，而到2030年將達(dá)到2.3億輛，隨著電動汽車的大規(guī)模普及，在2030年，可以使的美國的溫室氣體排放量相比于2005年減少20%-69%。

 

雖然電動汽車不會直接排放有害氣體和污染物等，但是實際上在電動汽車的生產(chǎn)和使用過程中仍然會間接的產(chǎn)生一定污染，例如電動汽車所用的鋰離子電池在生產(chǎn)過程中需要消耗大量的能量，在電動汽車使用過程中還需要對鋰離子電池進行充放電，這些都會消耗能量，從而間接的產(chǎn)生污染物的排放。

 

在鋰離子電池的生產(chǎn)過程中，主要能耗發(fā)生在正、負(fù)極材料生產(chǎn)，電極涂布后的烘干過程和電池生產(chǎn)過程中干燥間干燥機組運行等過程。目前電動汽車主要分為三大類：混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車，這些汽車內(nèi)斗包含眾多的鋰離子單體電池。

 

例如日產(chǎn)leaf電動汽車的24kWh電池模塊，就包含192只單體電池，重達(dá)640磅，Chevrolet Volt的16kWh電池模塊，包含288只電池，重達(dá)435磅，如此眾多的鋰離子電池在生產(chǎn)過程中必然要消耗大量的能量，但是以往估算動力鋰離子電池組的生產(chǎn)能耗中，由于缺乏直接的工廠數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過程中的能耗往往是通過估算進行的，因此得出的數(shù)據(jù)也有很大的差異。

 

美國凱斯西儲大學(xué)大學(xué)的Chris Yuan直接從Johnson Control Inc.公司采集了生產(chǎn)數(shù)據(jù)，基于工業(yè)生產(chǎn)過程對24kWh鋰離子電池組的生產(chǎn)能耗進行了分析。24kWh鋰離子電池模塊的生產(chǎn)能耗主要分為三大部分：電池材料的生產(chǎn)消耗29.9GJ，鋰離子電池的生產(chǎn)消耗58.7GJ，電池組的組裝消耗0.3GJ能量。

 

電池材料產(chǎn)生能耗

 

Chris Yuan分析的24kWh鋰離子電池模塊的鋰離子單體電池采用的為錳酸鋰正極和石墨負(fù)極，首先我們一起分析電池中的原材料生產(chǎn)的能耗。在鋰離子單體電池中，正極的組成比例為LMO：炭黑：PVDF=89:6:5，負(fù)極組成為：石墨：CMC=95:5，負(fù)極正極容量比為1.2，還包含電解液，隔膜，集流體、電池外殼，每只單體電池重量為868g，然后12只單體電池連接為電池模塊，16個模塊連接為電池組，再加入BMS，冷卻系統(tǒng)。

 

因此，在一個電池組中包含192只單體電池，電池組總重量為221.6kg，其中，單體電池166.6kg，冷卻系統(tǒng)8.9kg，BMS8.5kg，結(jié)構(gòu)件37.6kg，電池組不同部分的重量比例入下圖所示。

 

 

對各個材料的生產(chǎn)能耗進行計算發(fā)現(xiàn)，LMO正極材料的生產(chǎn)耗能最高達(dá)到4890MJ，而石墨負(fù)極生產(chǎn)的耗能僅為1671MJ，銅和電池組結(jié)構(gòu)件的耗能也分別達(dá)到了4737MJ和4241MJ，因此生產(chǎn)一個24kWh的電池組，原材料的耗能為29.9GJ。

 

鋰離子電池生產(chǎn)過程中的能耗

 

鋰離子電池的生產(chǎn)過程如下圖所示，主要包含勻漿、涂布和烘干，分切，電芯卷繞，電池裝配，以及注液和化成等過程，其中能耗比較高的部分主要是電極的烘干過程和電池生產(chǎn)過程中干燥間的干燥機組運行成本，例如一個可以每天生產(chǎn)400只電池的干燥間，干燥機組和鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備的運行功率達(dá)到64.8kW。

 

 

鋰離子電池生產(chǎn)過程中每個步驟的能耗，如下表所示，其中有38%的能量消耗在了電極干燥過程，43%消耗在干燥間的運行中，整個24kWh電池組消耗在單體電池生產(chǎn)過程中的能耗為58.7GJ。

 

 

電池組的組裝能耗

 

由于電池組的組裝主要由人工完成，因此能耗僅為0.03kWh/kg，因此整個24kWh電池組的電池組裝能耗也僅為0.3GJ。

 

從上述分析可以看到，整個24kWh電池組生產(chǎn)過程中總的能耗達(dá)到了88.9GJ的能量，其中主要是單體電池生產(chǎn)和原材料的生產(chǎn)過程能耗較高，不同部分的生產(chǎn)能耗占比如上圖所示。

 

ChrisYuan的研究還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度和PVDF膠液的濃度對鋰離子電池生產(chǎn)過程中的能耗影響比較大，例如當(dāng)環(huán)境溫度從10℃提高到25℃后干燥間的能耗下降了8%。環(huán)境濕度也對生產(chǎn)能耗有著顯著的影響，將PVDF膠液濃度從4%降低到2%，電池組的生產(chǎn)能耗可以從50.1kWh/kg下降到40.5kWh/kg。