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欧阳明高:未来几年动力电池技术发展趋势

添加时间:14:15:56 编辑:电池在线网  文章来源:电池在线网    

2018年1月7日下午,以“把握全球变革趋势实现高质量发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛(2018)热点问题交流会在清华大学举行。中国电动汽车百人会理事长陈清泰、中国电动汽车百人会执行理事长欧阳明高、中国电动汽车百人会秘书长张永伟出席了会议,会上,中国科学院院士欧阳明高主要就电池方面的技术问题做了深入分析和展望。中国客车网经过采访和整理,经本人审阅,对其观点发布如下:


国内动力电池技术进展:300瓦时/公斤可实现

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。

据欧阳明高教授介绍,目前新能源汽车专项中有三个团队在进行2020年实现300瓦时/公斤的电池研发,分别是宁德时代、天津力神、合肥国轩。

这三个团队目前采用的技术路线基本上大同小异,正极是高镍三元,负极是硅碳负极,三家企业的电池技术指标均已经接近应用要求。也就是说,计划要在2020年实现产业化的比能量技术指标达到300瓦时/公斤的电池取得了实质性突破。

宁德时代以软包电池为主,不是方形电池,电池循环寿命在1000次左右,能量密度达到304瓦时/公斤,其300瓦时/公斤的单体大概能做出200-210瓦时/公斤的电池PACK系统,安全性指标也全部通过国家要求。其他两家也都差不多。

当然,还有部分企业安全性标准还没有完全满足。

欧阳明高表示,我们国家在2017年底、2018年年初,主要电池企业能量密度单体已经能够达到230瓦时/公斤左右,PACK系统大约150瓦时/公斤左右。

我们2018、2019年只要再提高50-70瓦时/公斤.就能实现工信部要求的300瓦时/公斤指标。欧阳教授认为这个指标是可以实现的。

至于单体密度350瓦时/公斤、系统密度260瓦时/公斤,欧阳教授表示,那是我们力争的目标。

300—400瓦时/公斤如何实现:正负极材料的转换

要想实现350瓦时/公斤或更高的目标,欧阳教授介绍说,目前有两类新的技术体系:锂硫电池、锂空气电池,国内外进展均相对缓慢,2017年没有看到突破性的进展。

锂硫电池重量比能量跟体积比能量基本相当,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,所以优化提升体积比能量有相当难度的。

而乘用车、轿车电池的体积比能量比重量比能量更重要,如果乘用车、轿车的电池每公斤400瓦时/公斤时,体积比能量也只有400瓦时/升,这是不利于电动乘用车应用的。

而锂离子电池则不同,它的重量比能量300瓦时/公斤时,体积比能量就可以达到600瓦时/升。

另一项技术锂空气电池集合了锌空电池、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。

面向2025年产业化,我们仍旧想要冲击单体电池400瓦时/公斤的目标。这怎么能做到呢。

欧阳教授介绍,2017年,中国在高容量富锂正极材料方面取得了一定突破,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。

欧阳教授说:实现300瓦时/公斤实际上就是是负极从碳变成硅碳,而要想实现400瓦时/公斤,我们需要改变的是正极材料。

目前可选的正极材料有好几种,取得突破性进展的是高容量富锂锰基正极材料。国内现在有两个单位承担了前沿基础项目,其中物理所改善了富锂锰基正极循环的电压衰减,电池使用100周之后电压衰减降到了2%以内,应该说这是一个重大的进展。

另外北京大学的团队,首次研制出了比容量400毫安时/克的富锂锰基正极,该材料完全可以实现400瓦时/公斤甚至更高的目标。

全球电池技术热点:全固态电池技术

固态电池无疑是2017年全球电池领域最热的一个技术名词。

虽然研发产业化持续升温,但受固/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出现突破。

总体看固态电池发展的路径,电解质是从液态、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,我们国家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。

锂离子电池发明到现在是25年,全固态锂电池的概念比锂离子电池出现的更早。早期所指的全固态锂电池,都是指金属锂为负极的全固态金属锂电池。

目前固态电池国内有多家研究机构和产业单位在做,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。最近宁波材料所跟赣锋锂业合作的固态电池计划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,所以称之为是“全固态电解质锂电池”。全固态锂电池,这个词每一个字都不能少、不能变,比方说“全固态”跟“固态”是不一样的,“锂电池”和“锂离子电池”不是一个概念。

全固态锂电池又分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池,一次电池已经有用的。全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和锂金属电池。所谓全固态金属锂电池,就是它的负极用的是锂金属,我们国内这类产品现在负极用的是碳、硅碳或者钛酸锂。

全固态锂电池有几个潜在的技术优势:

1安全性高。没有有机溶剂作为电解质引发电解液燃烧问题。

2 能量密度高。固态电解质解决了电解液泄漏问题,体积比能量高。

3 正极材料选择的范围宽。因为负极是锂金属,正极不含锂都可以,电解质的电压窗口会更宽,比能量也可以提高。

4 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。

全固态锂电池存在的问题:

1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,分别是聚合物、氧化物、硫化物。聚合物电解质电池要加热到60度,离子电导率才上来,电池才能正常工作。我们目前要突破的是硫化物的固态电解质。

2 固/固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合很容易渗透进去。但是固体和固体接触性和稳定性就不是太好了,。硫化物电解质虽然锂离子导电率已经提高了,但仍然存在界面接触性和稳定性问题。

3 金属锂的可充性问题。在固态电解质中,锂表面同样存在粉化和枝晶生长问题。其循环性,甚至安全性等还需要研究。

4 制造成本偏高。

基于上述问题,真正意义上的全固态金属锂电池技术,现在仍然存在技术不确定性,是不成熟的。现存或者有突破的,有性能优势和产业化前景的,主要是固态锂离子电池。

固态锂离子电池跟全固态锂电池有什么区别呢?

固态电池,不一定是全都是固态电解质,是液态跟固态混合的,看混合的比是多大。真正的固态锂离子电池,其电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质;

所谓半固态电池,就是固态电解质、液态电解质各占一半,或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的。据此还有准固态电池,就是主要为固态、少量是液态。

现在固态锂电池持续升温,美国、欧洲、日本、韩国、我国,都在投入。

其中美国以小公司,创业型公司为主,立足于颠覆性技术。美国有两家初创公司成绩不俗,一个是S-akit3,续驶里程能到500公里,一个Solid—State,还有一家公司被宝马等几家大公司投资了。

日本基本上是固态锂离子电池,最著名的丰田。丰田固态锂离子电池将在2022年实现商品化。丰田固态锂离子电池的负极是石墨类,硫化物电解质,高电压正极,单体电池容量15安时,电压是十几V的那种,2022年实现商品化。

韩国是石墨类负极,不是金属锂负极。

中、日、韩的情况是类似的,因为我们国内已经有了上规模的锂离子电池的产业链,所以要延续固有的技术路线,不要推倒重来,为技术创新而浪费资源。

与续驶里程相比,电耗更须关注

根据上面的进展分析,以欧阳明高为代表的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具体如下,供行业参考。

2020年,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,所对应的材料是高镍三元。我们国内现在正在从镍:钴:锰比例3:3:3转向6:2:2,就是高镍,镍变成6,再转变到8:1:1,镍变成8,钴进一步降到1,甚至钴进一步降到0.5。负极要从碳负极向硅碳负极转型。这是我们当前的技术变革。

到2025年,正极材料方面进一步提升性能,包括富锂锰基材料和其他材料。我们2020~2025年,从300瓦时/公斤—400瓦时/公斤,每瓦时成本从0.6元到0.8元。对应的纯电动轿车合理里程约为300—400公里。

到2030年,专家们希望在电解质方面取得突破,同时固态电池实现规模产业化,电池单体比能量有望冲击500瓦时/公斤。2030年,常规的性价比车型应该可以达到500公里以上。

所有这些,都需要其它技术的配合。因此,欧阳明高教授表示,他目前关注的已经不是行驶里程,而是电动车的电耗问题,这也是当前整车集成技术的核心问题。

尤其纯电动汽车过冬,目前仍旧是一个未能完全解决的问题,这当中包括低温对电池的影响,还有取暖消耗功率偏大等。

虽然这些问题技术都会逐步得到解决,但欧阳明高教授仍旧表示,纯电动车永远都会存在能量不是过于充足的问题,所以纯电动车节能可能是一个永恒主题。



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