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2017年動力電池技術進展與發展趨勢

2018-04-13 11:47:02


一、國內動力電池的主要技術進展

第一方面,面向 300 瓦時/公斤的電池,也就是 2020 年的電池。目前新能源汽車專項里面有三個團隊,一個是寧德時代新能源、一個是天津力神、一個是合肥國軒。這三個團隊目前基本上采用的技術路線大同小異,正極是高鎳三元,負極是硅碳負極, 這個電池目前技術指標已經接近應用要求,也就是說 2020 年要

產業化的 300 瓦時/公斤的電池取得了實質性突破。現在從比能量角度都已經達到,像寧德時代新能源的產品循環壽命基本上在

1000 次左右,能量密度達到 304 瓦時/公斤,其他兩家也差不多。當然還有部分企業安全性標準還沒有完全滿足。300 瓦時/公斤的單體大概能做出 200-210 瓦時/公斤的電池系統,因為他們基本上是軟包電池,不是方形電池。2017 年底、2018 年初電池能量密度單體大概達到 230 瓦時/公斤左右,系統大約 150 瓦時/ 公斤左右。就是說在 2018、2019 年還需要再提高 50—70 瓦時/ 公斤.這個我認為是可以做到的。至于 350 瓦時/公斤、260 瓦時/公斤是我們力爭的目標。

第二方面,面向 2025 年產業化,希望沖擊單體電池 400 瓦時/公斤。300 瓦時/公斤實際上是負極從碳變成硅碳,到 400 瓦時/公斤時要變的是正極。目前可選的正極有好幾種,現在我們新能源汽車重點專項取得突破性進展的是高容量富鋰錳基正極材料。有兩個單位承擔了前沿基礎項目,一個是物理所,改善了富鋰錳基正極循環的電壓衰減。達到的指標是 100 周之后電壓衰減降到了 以內,這是一個重大的進展。另外一個是北京大學的團隊,首次研制出了比容量 400 毫安時/克的富鋰錳基正極,對于400 瓦時/公斤應該是沒有問題的,甚至可能達到更高。第三方面,更加前沿的,是固態電池。固態電池國內有多家研究機構和產業單位在做,包括中科院青島能源所、寧波材料所, 物理所等,還有寧德時代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所跟贛鋒鋰業合作,正在推進產業化,計劃 2019 年量產。固態電池無疑是 2017 年全球電池領域最熱的一個技術名詞,所以下面我以固態電池為例,介紹全球動力電池技術熱點。

二、全球電池技術熱點:全固態電池技術

全固態鋰電池,這幾個詞每一個字都不能少、不能變。“全固態”跟“固態”是不一樣的,“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個概念。所謂“全固態鋰電池”是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態、不含任何液態組份的鋰電池,所以全稱是“全固態電解質鋰電池”。全固態鋰電池又分成全固態鋰一次電池和全固態鋰二次電池,一次電池其實已經有用的。全固態鋰二次電池又分成全固態鋰離子電池和鋰金屬電池, 這兩個概念又要區別,所謂全固態金屬鋰電池,是其負極用的是鋰金屬,現在的負極用的是碳或者硅碳或者鈦酸鋰。

全固態鋰電池的概念比鋰離子電池出現的更早,鋰離子電池 只出現了25 年左右,是日本人發明的,真正到車上用就10 多年, 很年輕但是進步很快。早期指的全固態鋰電池,都是指金屬鋰為負極的全固態金屬鋰電池,一說全固態往往是以鋰金屬為負極的, 這就是以前的概念。全固態鋰電池有幾個潛在的技術優勢,一是安全性高,因為它沒有有機溶劑作為電解質引發電解液燃燒 問題;二是能量密度高,需要說明的是,固態電解質的密度和使 用量高于液態電解質,在正負極材料相同的時候,它的優勢是不 明顯的,當然如果有了固態電解質之后就沒有電解液泄漏問題,所以它可以一片片全部疊起來,不像我們非要搞一個軟包包起來,這樣體積比能量就會高。第三,正極材料選擇的范圍寬,因為負 極是鋰金屬,正極不含鋰都可以。還有,電解質的電壓窗口會更 寬, 正極材料選擇范圍也就大,比能量也可以提高;第四,系統 比能量高,由于電解質無流動性,可以方便地通過內串聯組成高 電壓單體,利于電池系統成組效率和能量密度的提高。

但是也存在一些問題。第一個問題是固態電解質材料的離子電導率偏低。現在有三種固態電解質,一種是聚合物,一種是氧化物,一種是硫化物。聚合物電解質這種,其實這個電池已經有了,現在在法國有些車上用,它的問題就是要加熱,電池要加熱到 60 度,離子電導率才上來,電池才能正常工作。目前氧化物電解質一般比液態的還是要低很多。只有硫化物的固態電解質現在跟液態的差不多,比如豐田就是用的這種硫化物的固態電解質,所以固態電解質是有突破的,主要的突破是在硫化物的固態電解質。

第二個問題就是固/固界面接觸性和穩定性差。液體跟固體結合是很容易的,滲透進去。但是固體和固體接觸性和穩定性就不是太好了,這是它很大的一個問題。硫化物電解質雖然鋰離子導電率已經提高了,但是仍然有界面接觸性和穩定性問題。

第三個問題是金屬鋰的可充性問題。在固態電解質中,鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長問題。其循環性,甚至安全性等還需要研究。

當然還有一個問題,就是制造成本偏高。

基于上述問題,特別是固態界面接觸性/穩定性和金屬鋰的可充性問題,真正意義上的全固態金屬鋰電池技術,現在仍然還是不成熟的,還存在技術不確定性。目前展現出的或者有突破的, 有性能優勢和產業化前景的,主要是固態鋰離子電池。

固態鋰離子電池跟全固態鋰電池有什么區別?固態電池不一定是全都是固態電解質,還有一點液態,是液態跟固態混合的, 看混合的比例是多大。真正的固態鋰離子電池,其電解質是固態, 但在電芯中有少量的液態電解質;所謂半固態,就是固態電解質、液態電解質各占一半,或者說電芯的一半是固態的、一半是液態的,所以還有準固態的,就是主要為固態、少量是液態。

關于固態鋰電池國內外動態。現在固態鋰電池持續升溫,美國、歐洲、日本、韓國、中國都在投入。各個國家心態不太一樣。例如美國,以小公司、創業型公司為主。美國有兩家公司還是不錯的,都是初創公司,一個是 S-akit3,續駛里程能到 500 公里, 現在還處于初級階段。還有一個 Solid—State,還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。因此美國主要是小公司、創業公司干,立足于顛覆性技術。日本基本上是固態鋰離子電池,最著名的豐田,將在 2022 年實現商品化。豐田做的不是全固態鋰金屬電池,而是固態鋰離子電池。它的負極是石墨類,硫化物電解質, 高電壓正極,單體電池容量 15 安時,電壓是十幾伏的那種,2022 年實現商品化是靠譜的。所以在日本,并沒有顛覆,還是鋰離子電池,正負極還可以用以前的。韓國也是石墨類負極,并不是金屬鋰負極,跟日本差不多。中、日、韓的情況是類似的,因為我們已經有了很大的鋰離子電池的產業鏈,不希望推倒重來。

三、綜合評述與展望

第一,鋰離子動力電池有望于2020年前實現300 瓦時/公斤目標,目前國內外技術研發基本處于同一水平,但安全性研究尚待加強。這種電池的核心是安全性。

第二,作為實現遠期目標的兩類新體系,鋰硫、鋰空氣電池方面,目前國內外進展相對緩慢,2017 年沒有看到突破性的進展。從原理來講,鋰硫電池的重量比能量跟體積比能量基本相當, 所以它的體積比能量要提上來是有相當難度的。乘用車、轎車對體積比能量的要求可能比重量比能量還要重要,雖然說有每公斤400 瓦時/公斤,體積比能量也只有 400 瓦時/升,這個對轎車來講就不大好了。鋰離子電池一般來講,比方說重量比能量 300, 體積比能量比如 300 瓦時/公斤,就可以達到 600 瓦時/升。鋰空氣電池集合了鋅空電池、氫燃料電池、鋰二次電池的所有難點。相比而言氫燃料電池更具競爭優勢。

第三,固態電池的研發產業化持續升溫,但受到固/固界面穩定性和金屬鋰負極可充性兩大問題的制約,真正的全固態鋰金屬負極電池還沒有成熟,但是以無機硫化物作為固態電解質的鋰離子電池應該說出現突破。總體看固態電池發展的路徑,電解質可能是從液態、半固態、固液混合到固態,最后到全固態。至于負極,會是從石墨負極,到硅碳負極,我們現在正在從石墨負極向硅碳負極轉型,最后有可能到金屬鋰負極,但是目前還存在技術不確定性。

第四,在高容量富鋰正極材料方面,我國 2017 年取得了一些突破,基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負極的革新型鋰離子電池比鋰硫和鋰-空電池更具可行性。這是我們一個綜合評估。根據上面的進展分析,我們專家組對技術電池技術的發展趨勢判斷做了一次優化迭代(不作為國家電池技術路線圖的依據,僅供參考),具體如下:

2020 年,比能量 300 瓦時/公斤、比功率 1000 瓦時/公斤,循環 1000 次以上,成本 0.8 元/瓦時以內,這個是確定的,這個所對應的材料是什么呢?高鎳三元。大家知道我們現在國內正在從鎳:鈷:錳比例 3:3:3 轉向 6:2:2,就是高鎳,鎳變成 6, 再轉變到 8:1:1,鎳變成 8,鈷進一步降到 1,甚至鈷進一步降到 0.5。負極要從碳負極向硅碳負極轉型。這是我們當前的技術變革。

到 2025 年,正極材料方面進一步提升性能,比如說我們今年取得重要突破的富鋰錳基材料,當然還會有其他材料。我們2020—2025 年,從 300 瓦時/公斤—400 瓦時/公斤,每瓦時成本從 8 毛錢以內到 6 毛錢以內。這個時候我們一般的性價比的純電動轎車合理的里程 300—400 公里。

到 2030 年,希望在電解質方面取得突破,也就是 2025—2030 年最大的突破可能在電解質,就是固態電池會規模產業化,電池單體比能量有望沖擊 500 瓦時/公斤。2030 年,常規的性價比車型應該可以達到 500 公里以上。當然需要其它技術的配合。如果電耗極大,例如冬天百公里三四十度電,電池好也不行。現在電動車越做越大,例如大SUV,車子重、風阻系數大,是一個值得改進的問題。

本文為歐陽明高發言整理。

來源:第一電動網

作者:中國電動汽車百人會


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