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動力電池技術下一步路在何方?歐陽明高給出詳細答案

近年來,隨著國內外電動汽車產業的快速發展,作為核心零部件的動力電池產業備受關注,各家企業不僅要擴張產能規模確保產量供應,還面臨著持續提升產品能量密度等關鍵指標的“攻堅戰”。當前國內外動力電池技術進展如何?有哪些值得關注的前瞻性技術?未來數年的發展節奏是怎樣的?近期,中國電動汽車百人會執行副理事長、中國科學院院士歐陽明高對上述行業關心的重點話題從技術角度進行回應,對業內外人士全面了解當前動力電池技術水平概況提供了重要參考。

300瓦時/公斤目標取得重大突破

《汽車縱橫》:安全、續駛里程長、壽命長等是消費者選購新能源汽車時考慮的關鍵性指標,動力電池是決定這些指標的核心零部件,近年來,在消費者需求及相關部門的政策法規推動下,安全、長壽命、高比能量的動力電池已成為產業需求的主流。比如2017年3月份,國家工信部等四部委聯合頒布《促進汽車動力電池發展行動方案》,指出到2020年,要求新型鋰離子動力電池單體比能量超過300瓦時/公斤。目前國內動力電池技術在這些方面進展如何?達到哪些指標?

歐陽明高:按照規劃,2020年要實現動力電池能量密度300瓦時/公斤目標。目前承擔新能源汽車專項項目的有三個團隊:寧德時代新能源、天津力神和合肥國軒。這三個團隊目前采用的技術路線大同小異,即正極采用高鎳三元,負極是硅碳,這種電池目前技術指標已經接近應用要求,到2020年,比能量300瓦時/公斤的電池的產業化已經取得了實質性突破,現在從比能量角度看都已經達到,例如寧德時代新能源的電池研究成果的循環壽命基本在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。用300瓦時/公斤的單體電池大概能做出200-210瓦時/公斤的電池系統,因為基本是軟包電池,而非方形電池。國內在去年年底、今年年初,動力電池的能量密度單體達到230瓦時/公斤左右,系統大約150瓦時/公斤左右。到2018、2019年還需要再提高50-70瓦時/公斤,我認為是可以做到的。至于單體350瓦時/公斤、系統260瓦時/公斤是我們力爭的目標。

如何落實2025年400瓦時/公斤的目標?

《汽車縱橫》:剛剛您提到,實現2020年300瓦時/公斤的目標在技術上已經有重大突破。再往后展望五年,到2025年動力電池將力爭實現哪些目標?將采用何種技術路線?您認為哪種前瞻技術最值得關注?目前中國在這些前瞻技術領域有無研究?

歐陽明高:面向2025年產業化,我們希望沖擊單體電池能量密度達到400瓦時/公斤的目標。300瓦時/公斤的實現改變的是負極,從碳變成硅碳,到400瓦時/公斤要變的是正極,目前可選的正極材料有好幾種,現在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,達到的指標是正極循環100周之后電壓衰減降到了2%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,實現400瓦時/公斤應該是沒有問題的,甚至可能更高。這更為開發比能量大于500瓦時/公斤的新型鋰離子電池提供了可能,但循環尚存在一定不確定性。

更加前沿的技術是固態電池。目前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,也包括寧德時代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所與贛鋒鋰業合作,投資5億元人民幣,致力于推進固態電池產業化,計劃2019年量產,2020年產品進入電動汽車市場。固態電池無疑是2017年全球電池領域最熱的一個技術名詞。

全固態鋰電池技術何以在全球大熱?

《汽車縱橫》:固態電池與我們聽到的全固態鋰電池是否是一回事?什么才是全固態鋰電池?如何理解這些概念上的區別?

歐陽明高:全固態鋰電池,這幾個詞每一個字都不能少、不能變,“全固態”與“固態”不同,“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,不含任何液態組分的鋰電池,所以我們全稱是“全固態電解質鋰電池”。根據其是否可以反復充放,可進一步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的負極用的是鋰金屬,目前在用的動力電池的負極多為碳、硅碳或者鈦酸鋰。

全固態鋰電池的概念比鋰離子電池出現得更早,鋰離子電池只有25年左右的歷史,是日本人發明的,真正用于車上也就10多年,很年輕但是進步很快。早期所指的全固態鋰電池,都是以金屬鋰為負極的全固態金屬鋰電池。這就是以前的概念。

《汽車縱橫》:固態鋰離子電池跟全固態鋰電池的具體區別是什么?

歐陽明高:固態電池,不一定是全都是固態電解質,還有一點液態,是液態與固態混合的,差別在于混合的比例是多少。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,所以還有準固態鋰電池,即主要為固態,少量是液態。

《汽車縱橫》:全固態鋰電池有哪些特點特別是優勢?為什么能引起全球動力電池產業的關注和投入研發?

歐陽明高:主要因素是它能解決目前困擾動力電池發展的兩大關鍵問題,即安全性差和能量密度低。全固態鋰電池有幾個潛在的技術優勢,首先,它安全性高,由于采用高熱穩定性的固態電解質,代替了易燃的常規有機溶劑電解液,電池燃燒問題可以得到有效解決。第二,能量密度高,由于金屬鋰的容量超高,基于相同正極時,固態金屬鋰電池與常規液態鋰離子電池相比,其能量密度可以得到大幅提升。需要說明的是,由于固體電解質密度和使用量高于液態電解質,在正負極材料相同時,全固態鋰電池優勢不明顯。第三,正極材料選擇的范圍寬,因為全固態鋰電池可以直接采用金屬鋰為負極,不要求正極結構中必須含鋰,一些高容量的貧鋰態材料也可以作為正極;此外,無機固態電解質寬的電壓窗口也為高電壓正極材料的應用提供了可能。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。

真正的全固態金屬鋰電池技術尚未成熟

《汽車縱橫》:從您介紹的優勢來看,全固態鋰電池能解決當前動力電池產品的不少不足之處。但它為何還沒有大規模應用于市場?主要存在哪些問題?您如何評價這類技術的整體發展水平?

歐陽明高:它的第一個問題是固態電解質材料的離子電導率偏低,F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,F在有用聚合物電解質的電池,搭載于法國的一些車輛上,它的問題就是需要加熱到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要低很多。只有硫化物固體電解質的一些指標接近液態電解質,比如豐田就是用硫化物的固體電解質,所以固體電解質主要的突破是在硫化物的固體電解質。

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,滲透進去即可。但是固體和固體接觸性和穩定性就是它的很大的一個問題。硫化物電解質雖然鋰離子導電率已經提高,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和固態聚合物鋰電池。

《汽車縱橫》:目前國內外關于固態鋰電池的研究進展如何?有哪些值得關注的企業或技術突破?

歐陽明高: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。美國有兩家公司值得關注,都是初創公司,一個是S-akit3,其最新研發的電池有望使電動汽車的續駛里程達到500公里,現在還處于初級階段。還有一個Solid—State。美國主要立足于顛覆性技術。日本則專注于無機固體電解質的大容量的固態鋰電池,最著名的是豐田公司,其產品將在2022年實現其商品化。豐田做的不是全固態鋰金屬電池,而是固態鋰離子電池,其負極是石墨類,用硫化物電解質,高電壓正極,單體電池容量15安時,電壓是十幾伏,我認為這是靠譜的。所以在日本,并沒有顛覆,還是基于鋰離子電池,正負極還可以用以前的一些材料或技術。韓國專注于無機固體電解質的大容量固態鋰電池的研發工作,也采用石墨類負極而不是金屬鋰負極,與日本相似。中、日、韓三國的情況類似,因為我們已有了很龐大的鋰離子電池產業鏈,不希望推倒重來。

如何評價動力電池各技術路線的前景?

《汽車縱橫》:針對當前國內外動力電池領域的技術發展現狀,請您綜合評估一下各種技術路線或研究方向的前景。

歐陽明高: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。從原理來看,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。新能源乘用車特別是轎車對體積比能量的要求可能比重量比能量還要重要,雖然有400瓦時/公斤的電池,體積比能量也只有400瓦時/升,這對于轎車而言不太好用。一般情況下,鋰離子電池的重量比能量能達到300瓦時/公斤,體積比能量就可以達到600瓦時/升。鋰空氣電池集合了鋅空氣電池、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,真正的全固態鋰電池技術還沒有成熟,但是以無機硫化物作為固態電解質的鋰離子電池出現突破?傮w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,會從石墨負極到硅碳負極再到合金化負極,我們現在正在從石墨負極向硅碳負極轉型,最后有可能采用金屬鋰負極,但是目前還存在技術不確定性。

第四,中國在高容量富鋰正極材料方面于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氣電池更具可行性。

《汽車縱橫》:根據各種技術進展的分析,您如何判斷未來動力電池技術的發展趨勢?預計將按照怎樣的節奏推進?

歐陽明高:我們專家組對動力電池技術的發展趨勢做了一次優化迭代,(但這不是國家電池技術路線圖的依據,僅供參考),具體如下:

2020年,實現動力電池比能量300瓦時/公斤、比功率1000瓦時/公斤,循環1000次以上,成本0.8元/瓦時以內的目標是確定的,相對應的材料是高鎳三元,現在國內動力電池用的鎳、鈷、錳的比例由3:3:3轉向6:2:2,再轉變為8:1:1,即鎳變成8,鈷的比例進一步降到1甚至是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,正極材料性能進一步提升,富鋰錳基材料目前取得重要突破,當然還會有其他材料。2020-2025年,我們要努力實現動力電池比能量從300瓦時/公斤上升至400瓦時/公斤,每瓦時成本從0.8元以內降到0.6元以內。此時一般性價比的純電動轎車合理的續駛里程是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,固態電池會實現規;、產業化,電池單體比能量有望沖擊500瓦時/公斤。2030年,常規的電動汽車續駛里程應該可以達到500公里以上。當然需要其它技術的配合。如果電耗極大,例如冬天百公里電耗高達三四十度,電池再好也實現不了,F在電動車越做越大,例如大型SUV,車身重、風阻系數大,是一個值得改進的問題。


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