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                  未來幾年動力電池技術發展趨勢

                  發布時間:2020-11-24 點擊次數:597


                  摘要: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。

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                  國內動力電池技術進展:300瓦時/公斤可實現

                  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。

                  目前新能源汽車專項中有三個團隊在進行2020年實現300瓦時/公斤的電池研發,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路線基本上大同小異,正極是高鎳三元,負極是硅碳負極,三家企業的電池技術指標均已經接近應用要求。也就是說,計劃要在2020年實現產業化的比能量技術指標達到300瓦時/公斤的電池取得了實質性突破。

                  寧德時代以軟包電池為主,不是方形電池,電池循環壽命在1000次左右,能量密度達到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,安全性指標也全部通過國家要求。其他兩家也都差不多。

                  當然,還有部分企業安全性標準還沒有完全滿足。

                  2017年底、2018年年初,我們國家主要電池企業能量密度單體已經能夠達到230瓦時/公斤左右,PACK系統大約150瓦時/公斤左右。

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

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

                  300400瓦時/公斤如何實現:正負極材料的轉換

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

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

                  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到600瓦時/升。

                  另一項技術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。

                  面向2025年產業化,我們仍舊想要沖擊單體電池400瓦時/公斤的目標。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300瓦時/公斤實際上就是是負極從碳變成硅碳,而要想實現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,取得突破性進展的是高容量富鋰錳基正極材料。國內現在有兩個單位承擔了前沿基礎項目,其中物理所改善了富鋰錳基正極循環的電壓衰減,電池使用100周之后電壓衰減降到了2%以內,應該說這是一個重大的進展。

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

                  全球電池技術熱點:全固態電池技術

                  固態電池無疑是2017年全球電池領域最熱的一個技術名詞。

                  雖然研發產業化持續升溫,但受固/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出現突破。

                  總體看固態電池發展的路徑,電解質是從液態、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,我們國家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。

                  鋰離子電池發明到現在是25年,全固態鋰電池的概念比鋰離子電池出現的更早。早期所指的全固態鋰電池,都是指金屬鋰為負極的全固態金屬鋰電池。

                  目前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,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合作的固態電池計劃2019年量產。

                  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,所以稱之為是“全固態電解質鋰電池”。全固態鋰電池,這個詞每一個字都不能少、不能變,比方說“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。

                  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。所謂全固態金屬鋰電池,就是它的負極用的是鋰金屬,我們國內這類產品現在負極用的是碳、硅碳或者鈦酸鋰。

                  全固態鋰電池有幾個潛在的技術優勢:

                  1、安全性高。沒有有機溶劑作為電解質引發電解液燃燒問題。

                  2 、能量密度高。固態電解質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。因為負極是鋰金屬,正極不含鋰都可以,電解質的電壓窗口會更寬,比能量也可以提高。

                  4 、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。

                  全固態鋰電池存在的問題:

                  1、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,分別是聚合物、氧化物、硫化物。聚合物電解質電池要加熱到60度,離子電導率才上來,電池才能正常工作。我們目前要突破的是硫化物的固態電解質。

                  2 、/固界面接觸性和穩定性差。液體跟固體結合很容易滲透進去。但是固體和固體接觸性和穩定性就不是太好了,。硫化物電解質雖然鋰離子導電率已經提高了,但仍然存在界面接觸性和穩定性問題。

                  3 、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。

                  4 、制造成本偏高。

                  基于上述問題,真正意義上的全固態金屬鋰電池技術,現在仍然存在技術不確定性,是不成熟的?,F存或者有突破的,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呢?

                  固態電池,不一定是全都是固態電解質,是液態跟固態混合的,看混合的比是多大。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;

                  所謂半固態電池,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。據此還有準固態電池,就是主要為固態、少量是液態。

                  現在固態鋰電池持續升溫,美國、歐洲、日本、韓國、我國,都在投入。

                  其中美國以小公司,創業型公司為主,立足于顛覆性技術。美國有兩家初創公司成績不俗,一個是S-akit3,續駛里程能到500公里,一個SolidState,還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。

                  日本基本上是固態鋰離子電池,最著名的豐田。豐田固態鋰離子電池將在2022年實現商品化。豐田固態鋰離子電池的負極是石墨類,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V的那種,2022年實現商品化。

                  韓國是石墨類負極,不是金屬鋰負極。

                  中、日、韓的情況是類似的,因為我們國內已經有了上規模的鋰離子電池的產業鏈,所以要延續固有的技術路線,不要推倒重來,為技術創新而浪費資源。

                  與續駛里程相比,電耗更須關注

                  根據上面的進展分析,以歐陽明高為代表的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具體如下,供行業參考。

                  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/瓦時以內,所對應的材料是高鎳三元。我們國內現在正在從鎳:鈷:錳比例333轉向622,就是高鎳,鎳變成6,再轉變到811,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。

                  2025年,正極材料方面進一步提升性能,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。對應的純電動轎車合理里程約為300400公里。

                  2030年,專家們希望在電解質方面取得突破,同時固態電池實現規模產業化,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。

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

                  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,純電動車永遠都會存在能量不是過于充足的問題,所以純電動車節能可能是一個永恒主題。




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