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未來幾年動力電池技術(shù)發(fā)展趨勢

摘要：鋰離子動力電池有望于2020年前實現(xiàn)300瓦時/公斤目標(biāo)，目前國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強。

國內(nèi)動力電池技術(shù)進(jìn)展：300瓦時/公斤可實現(xiàn)

鋰離子動力電池有望于2020年前實現(xiàn)300瓦時/公斤目標(biāo)，目前國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強。

目前新能源汽車專項中有三個團隊在進(jìn)行2020年實現(xiàn)300瓦時/公斤的電池研發(fā)，分別是寧德時代、天津力神、合肥國軒。

這三個團隊目前采用的技術(shù)路線基本上大同小異，正極是高鎳三元，負(fù)極是硅碳負(fù)極，三家企業(yè)的電池技術(shù)指標(biāo)均已經(jīng)接近應(yīng)用要求。也就是說，計劃要在2020年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的比能量技術(shù)指標(biāo)達(dá)到300瓦時/公斤的電池取得了實質(zhì)性突破。

寧德時代以軟包電池為主，不是方形電池，電池循環(huán)壽命在1000次左右，能量密度達(dá)到304瓦時/公斤，其300瓦時/公斤的單體大概能做出200-210瓦時/公斤的電池PACK系統(tǒng)，安全性指標(biāo)也全部通過國家要求。其他兩家也都差不多。

當(dāng)然，還有部分企業(yè)安全性標(biāo)準(zhǔn)還沒有完全滿足。

在2017年底、2018年年初，我們國家主要電池企業(yè)能量密度單體已經(jīng)能夠達(dá)到230瓦時/公斤左右，PACK系統(tǒng)大約150瓦時/公斤左右。

我們2018、2019年只要再提高50-70瓦時/公斤.就能實現(xiàn)工信部要求的300瓦時/公斤指標(biāo)。

至于單體密度350瓦時/公斤、系統(tǒng)密度260瓦時/公斤，歐陽教授表示，那是我們力爭的目標(biāo)。

300—400瓦時/公斤如何實現(xiàn)：正負(fù)極材料的轉(zhuǎn)換

要想實現(xiàn)350瓦時/公斤或更高的目標(biāo)，歐陽教授介紹說，目前有兩類新的技術(shù)體系：鋰硫電池、鋰空氣電池，國內(nèi)外進(jìn)展均相對緩慢，2017年沒有看到突破性的進(jìn)展。

鋰硫電池重量比能量跟體積比能量基本相當(dāng)，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(dāng)，所以優(yōu)化提升體積比能量有相當(dāng)難度的。

而乘用車、轎車電池的體積比能量比重量比能量更重要，如果乘用車、轎車的電池每公斤400瓦時/公斤時，體積比能量也只有400瓦時/升，這是不利于電動乘用車應(yīng)用的。

而鋰離子電池則不同，它的重量比能量300瓦時/公斤時，體積比能量就可以達(dá)到600瓦時/升。

另一項技術(shù)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(yōu)勢。

面向2025年產(chǎn)業(yè)化，我們?nèi)耘f想要沖擊單體電池400瓦時/公斤的目標(biāo)。這怎么能做到呢。

2017年，中國在高容量富鋰正極材料方面取得了一定突破，基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負(fù)極的革新型鋰離子電池比鋰硫和鋰-空電池更具可行性。

實現(xiàn)300瓦時/公斤實際上就是是負(fù)極從碳變成硅碳，而要想實現(xiàn)400瓦時/公斤，我們需要改變的是正極材料。

目前可選的正極材料有好幾種，取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料。國內(nèi)現(xiàn)在有兩個單位承擔(dān)了前沿基礎(chǔ)項目，其中物理所改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減，電池使用100周之后電壓衰減降到了2%以內(nèi)，應(yīng)該說這是一個重大的進(jìn)展。

另外北京大學(xué)的團隊，首次研制出了比容量400毫安時/克的富鋰錳基正極，該材料完全可以實現(xiàn)400瓦時/公斤甚至更高的目標(biāo)。

全球電池技術(shù)熱點：全固態(tài)電池技術(shù)

固態(tài)電池?zé)o疑是2017年全球電池領(lǐng)域最熱的一個技術(shù)名詞。

雖然研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，但受固/固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性兩大問題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬負(fù)極電池還沒有成熟，但是以無機硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池出現(xiàn)突破。

總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，會是從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，我們國家現(xiàn)在正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。

鋰離子電池發(fā)明到現(xiàn)在是25年，全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)的更早。早期所指的全固態(tài)鋰電池，都是指金屬鋰為負(fù)極的全固態(tài)金屬鋰電池。

目前固態(tài)電池國內(nèi)有多家研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位在做，包括中科院青島能源所、寧波材料所，物理所等，也包括寧德時代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作的固態(tài)電池計劃2019年量產(chǎn)。

所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組份的鋰電池，所以稱之為是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。全固態(tài)鋰電池，這個詞每一個字都不能少、不能變，比方說“全固態(tài)”跟“固態(tài)”是不一樣的，“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個概念。

全固態(tài)鋰電池又分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，一次電池已經(jīng)有用的。全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池。所謂全固態(tài)金屬鋰電池，就是它的負(fù)極用的是鋰金屬，我們國內(nèi)這類產(chǎn)品現(xiàn)在負(fù)極用的是碳、硅碳或者鈦酸鋰。

全固態(tài)鋰電池有幾個潛在的技術(shù)優(yōu)勢：

1、安全性高。沒有有機溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒問題。

2 、能量密度高。固態(tài)電解質(zhì)解決了電解液泄漏問題，體積比能量高。

3 、正極材料選擇的范圍寬。因為負(fù)極是鋰金屬，正極不含鋰都可以，電解質(zhì)的電壓窗口會更寬，比能量也可以提高。

4 、系統(tǒng)比能量高。由于電解質(zhì)無流動性，可以方便地通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。

全固態(tài)鋰電池存在的問題：

1、固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低。現(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì)，分別是聚合物、氧化物、硫化物。聚合物電解質(zhì)電池要加熱到60度，離子電導(dǎo)率才上來，電池才能正常工作。我們目前要突破的是硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。

2 、固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差。液體跟固體結(jié)合很容易滲透進(jìn)去。但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就不是太好了，。硫化物電解質(zhì)雖然鋰離子導(dǎo)電率已經(jīng)提高了，但仍然存在界面接觸性和穩(wěn)定性問題。

3 、金屬鋰的可充性問題。在固態(tài)電解質(zhì)中，鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長問題。其循環(huán)性，甚至安全性等還需要研究。

4 、制造成本偏高。

基于上述問題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然存在技術(shù)不確定性，是不成熟的。現(xiàn)存或者有突破的，有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。

固態(tài)鋰離子電池跟全固態(tài)鋰電池有什么區(qū)別呢?

固態(tài)電池，不一定是全都是固態(tài)電解質(zhì)，是液態(tài)跟固態(tài)混合的，看混合的比是多大。真正的固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì);

所謂半固態(tài)電池，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的。據(jù)此還有準(zhǔn)固態(tài)電池，就是主要為固態(tài)、少量是液態(tài)。

現(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫，美國、歐洲、日本、韓國、我國，都在投入。

其中美國以小公司，創(chuàng)業(yè)型公司為主，立足于顛覆性技術(shù)。美國有兩家初創(chuàng)公司成績不俗，一個是S-akit3，續(xù)駛里程能到500公里，一個Solid—State，還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。

日本基本上是固態(tài)鋰離子電池，最著名的豐田。豐田固態(tài)鋰離子電池將在2022年實現(xiàn)商品化。豐田固態(tài)鋰離子電池的負(fù)極是石墨類，硫化物電解質(zhì)，高電壓正極，單體電池容量15安時，電壓是十幾V的那種，2022年實現(xiàn)商品化。

韓國是石墨類負(fù)極，不是金屬鋰負(fù)極。

中、日、韓的情況是類似的，因為我們國內(nèi)已經(jīng)有了上規(guī)模的鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈，所以要延續(xù)固有的技術(shù)路線，不要推倒重來，為技術(shù)創(chuàng)新而浪費資源。

與續(xù)駛里程相比，電耗更須關(guān)注

根據(jù)上面的進(jìn)展分析，以歐陽明高為代表的專家組對技術(shù)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢判斷做了一次優(yōu)化迭代具體如下，供行業(yè)參考。

2020年，比能量300瓦時/公斤、比功率1000瓦時/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時以內(nèi)，所對應(yīng)的材料是高鎳三元。我們國內(nèi)現(xiàn)在正在從鎳：鈷：錳比例3：3：3轉(zhuǎn)向6：2：2，就是高鎳，鎳變成6，再轉(zhuǎn)變到8：1：1，鎳變成8，鈷進(jìn)一步降到1，甚至鈷進(jìn)一步降到0.5。負(fù)極要從碳負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型。這是我們當(dāng)前的技術(shù)變革。

到2025年，正極材料方面進(jìn)一步提升性能，包括富鋰錳基材料和其他材料。我們2020~2025年，從300瓦時/公斤—400瓦時/公斤，每瓦時成本從0.6元到0.8元。對應(yīng)的純電動轎車合理里程約為300—400公里。

到2030年，專家們希望在電解質(zhì)方面取得突破，同時固態(tài)電池實現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時/公斤。2030年，常規(guī)的性價比車型應(yīng)該可以達(dá)到500公里以上。

所有這些，都需要其它技術(shù)的配合。因此，歐陽明高教授表示，他目前關(guān)注的已經(jīng)不是行駛里程，而是電動車的電耗問題，這也是當(dāng)前整車集成技術(shù)的核心問題。

尤其純電動汽車過冬，目前仍舊是一個未能完全解決的問題，這當(dāng)中包括低溫對電池的影響，還有取暖消耗功率偏大等。

雖然這些問題技術(shù)都會逐步得到解決，但歐陽明高教授仍舊表示，純電動車永遠(yuǎn)都會存在能量不是過于充足的問題，所以純電動車節(jié)能可能是一個永恒主題。