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行业资讯 2018-01-08 14:16
中国电工网讯:
    1月7日下午,由电动汽车百人会主办的“把握全球变革趋势,实现高质量发展”热点问题交流会清华大学召开。欧阳明高院士出席会议并发表了题为“2017年动力电池技术进展与发展趋势”的主旨演讲,并就热点问题展开交流。以下为能见Eknower整理的要点内容。
 
    1动力电池单体比能量已经实现300瓦时/公斤目标
 
    欧阳明高自1994年留学回国后,便进入清华大学博士后流动站工作,长期从事汽车能源动力系统和发动机控制工程的研究与教学工作,并主持和参与了国家和国际相关重大科技计划,担任国家863<节能与新能源汽车>重大项目专家组组长,对我国新能源汽车产业的发展贡献巨大。此外,作为中国电动汽车百人会执行副理事长,欧阳明高近年来参与并主持了多场行业研讨会,一直在为新能源汽车行业的发展出谋策划。2017年当选中科院院士。
 
    欧阳明高表示,当天的发言内容一部分代表其个人观点,一部分代表“十三五”国家重点研发计划《新能源汽车》科技专项总体专家组。
 
    围绕着新能源汽车有很多技术问题,现在欧阳明高重点关注电池、电耗、充电三个问题。他认为,电池方面,动力电池的技术进展取得了明显成绩;电耗而不是里程,已经是当前整车集成技术的核心问题;充电领域正处于需求大增长、技术大发展的关键时期。
 
    当天欧阳明高重点介绍动力电池方面取得的突破和面临的问题。
 
    动力电池是新能源汽车发展需攻克的核心技术环节,2017年4月,工业和信息化部、国家发展改革委、科技部联合印发了《汽车产业中长期发展规划》。规划的新能源领域的阶段性目标是,到2020年,动力电池单体比能量达到300瓦时/公斤以上,力争实现350瓦时/公斤,系统比能量力争达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下。到2025年,动力电池系统比能量达到350瓦时/公斤。
 
    为了达到能量密度不断提升的目标,国家政策层面还专门设立了新能源汽车重点专项来推动代表性企业进行能量密度的攻坚战。宁德时代、天津力神、合肥国轩高科三家锂电池企业申报项目成功入选重点专项。
 
    欧阳明高介绍,为实现高能量密度,三个团队的技术路线相近,均为高镍三元正极、硅碳负极,目前已经基本实现300瓦时/公斤的比能量。宁德时代目前已经实现电池循环寿命达到1000次左右,能量密度达到304瓦时/公斤,其他两家也差不多。并且宁德时代研发的高比能量动力锂离子电池已经通过安全性验证,部分企业目前还未满足安全性标准。
 
    将电池单体组合为软包电池系统后,预计系统的能量密度在200-210瓦时/公斤,与去年年底、今年年初的行业水平(单体比能量230瓦时/公斤、系统比能量150瓦时/公斤左右)相比,有了大幅度的提升。欧阳明高表示,按照这样的技术提升速度,完成2020年的规划目标,还需要在2018年、2019年两年内将系统比能量再提高50-70瓦时/公斤。“这个我认为是可以做到的。”
 
    2高容量富锂锰基正极材料取得进展
 
    我国新能源汽车重点研发专项里面,产业化的指标是在2025年实现单体电池400瓦时/公斤。欧阳明高指出,实现这一目标必须在正极材料上有所突破。目前中科院物理研究所以及北京大学两个团队都在高容量富锂锰基正极材料方面取得了突破进展。
 
    专家介绍,设计电池的第一准则是容量匹配,也就是正负极的容量要匹配。现在锂离子电池的正极克容量很低,在电池中的质量非常大,1克石墨要匹配2克以上正极;如果用硅碳负极,正极的匹配量更大。因此,正极容量的提高对电池比能量提升的作用更大。由于富锂锰基具有250毫安时/克以上的可实现容量,是锂离子电池突破400瓦时/公斤,甚至500瓦时/公斤的技术关键。
 
    富锂锰基虽然有高容量的特征,但电压衰减非常严重,随着电压越来越低,电池的能量密度也越来越低。另外,它的离子扩散系数和电子电导也非常低,倍率性能也比较差。因此目前改善富锂锰基正极的主要工作包括:组成优化设计,制备工艺优化,表面改性。
 
    目前,中科院物理研究所通过一种气固的界面改性来构筑表面的氧空位,使得富锂锰基正极的电压衰减问题得到了较好的解决,100周后衰减控制在2%以内。
 
    北京大学夏定国老师所带的团队利用硫原子和卤素原子调控富锂材料中氧离子参与电荷补偿的可能性,实现了富锂锰基正极400毫安时/克的比容量,虽然目前循环性还不是很好,但如果这个材料能够实现应用,实现500甚至600瓦时/公斤的锂离子电池将不是问题。
 
    3全固态金属锂电池还存在技术不确定性
 
    全固态锂电池,是2017年全球电池领域最热的一个技术名词。国内有多家研究机构和产业单位都在进行技术攻关,包括中科院青岛能源所、宁波材料所,物理所等,也包括宁德时代新能源、中航锂电等。欧阳明高介绍,最近宁波材料所跟赣锋锂业合作,正在推进产业化,计划2019年量产。
 
    所谓“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态,不含任何液态组份的锂电池。全固态锂电池有全固态锂一次电池和全固态锂二次电池,根据负极的不同,全固态锂二次电池又可以分为负极为金属锂的金属锂电池和负极不含金属锂的锂离子电池。
 
    欧阳明高介绍,全固态锂电池安全性高,因为它没有有机溶剂作为电解质引发电解液燃烧问题;正极材料选择的范围宽,因为负极是锂金属,所以正极材料不含锂都可以,此外,电解质的电压窗口会更宽,正极材料选择范围更大,比能量也可以提高;系统比能量高,由于电解质无流动性,可以方便地通过内串联组成高电压单体,利于电池系统成组效率和能量密度的提高。
 
    但是,固态电解质材料的离子电导率偏低,现在有三种固态电解质,一种是聚合物,一种是氧化物,一种是硫化物,其中只有硫化物的固态电解质在室温下和液态电解质的离子电导率相近,因此丰田研发的固态电池的电解质由硫化固态电解质材料构成,其中包含锂、磷、硫和碘元素。“所以固态电解质主要的突破是在硫化物的固态电解质。”欧阳明高介绍。
 
    但全固态锂电池制造成本偏高,此外,还存在固态界面接触性/稳定性和金属锂的可充性问题,因此真正意义上的全固态金属锂电池技术,现在仍然还是不成熟的,还存在技术不确定性。目前展现出或者有突破的,有性能优势和产业化前景的,主要是固态锂离子电池。
 
    欧阳明高介绍,对固态电池,目前各个国家心态不太一样。美国以小公司,创业型公司为主,其中有两家公司表现不错,分别是S-akit3和Solid—State;日本则主要紧盯固态锂离子电池技术研发,如丰田研发的固态锂离子电池,负极是石墨类,电解质为硫化物,高电压正极,单体电池容量15安时,预计2022年实现商品化。中韩情况和日本基本类似。
 
    4综述
 
    欧阳明高回顾动力电池的进展,综述如下:
 
    第一,锂离子动力电池有望于2020年前实现300瓦时/公斤目标,目前国内外技术研发基本处于同一水平,但安全性研究尚待加强。
 
    第二,锂硫、锂空气电池方面,目前国内外进展相对缓慢,2017年没有看到突破性的进展。从原理来讲,锂硫电池的重量比能量跟体积比能量基本相当,所以它的体积比能量要提上来是有相当难度的。我们乘用车、轿车对体积比能量的要求可能比重量比能量来的还要重要。而锂离子电池重量比能量为300瓦时/公斤时,体积比能量可以达到600瓦时/升。因此,锂空气电池,应该说集合了锌空电池、氢燃料电池、锂二次电池的所有难点。相比而言氢燃料电池更具竞争优势。
 
    第三,固态电池的研发产业化持续升温,但受到固/固界面稳定性和金属锂负极可充性两大问题的制约,真正的全固态锂金属负极电池还没有成熟,但是以无机硫化物作为固态电解质的锂离子电池应该说出现突破。总体看固态电池发展的路径,电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态,最后到全固态。至于负极,会是从石墨负极,到硅碳负极,我们现在正在从石墨负极向硅碳负极转型,最后有可能到金属锂负极,但是目前还存在技术不确定性。
 
    第四,中国在高容量富锂正极材料方面2017年取得了一些突破,基于高容量富锂正极和高容量硅碳负极的革新型锂离子电池比锂硫和锂-空电池更具可行性。
 
    根据上面的进展分析,“十三五”国家重点研发计划《新能源汽车》科技专项专家组对技术电池技术的发展趋势判断做了一次优化迭代(不作为国家电池技术路线图的依据,仅供参考),具体如下:
 
    2020年,实现比能量300瓦时/公斤、比功率1000瓦时/公斤,循环1000次以上,成本0.8元/瓦时以内,目标基本可期。对应的材料将会是高镍三元,目前国内正在从镍:钴:锰比例由3:3:3转向6:2:2,下一步再进一步转变到8:1:1,镍变成8,钴进一步降到1,甚至钴进一步降到0.5。负极则从碳负极向硅碳负极转型。
 
    到2025年,比能量将从2020年的300瓦时/公斤提升至400瓦时/公斤,每瓦时成本从8毛钱以内降到6毛钱以内,具备一般性价比的纯电动轿车合理的续航里程将达到300—400公里。
 
    到2030年,希望在电解质方面取得突破,实现固态电池的规模产业化,电池单体比能量有望冲击500瓦时/公斤,常规的性价比车型续航里程可以达到500公里以上。
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