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中國300wh/kg動力電池已研發完成 固態電池不稀奇

鉅大LARGE  |  點擊量:9378次  |  2018年06月19日  

摘要
讓特斯拉Model3限于難產的就是其著名的動力電池2170,據說比能量約為280瓦時/公斤。

讓特斯拉Model3限于難產的就是其著名的動力電池2170,據說比能量約為280瓦時/公斤。


最新的消息是,中國的高鎳三元鋰電池,比能量超過300瓦時/公斤,已完成研發。中國電動車百人會執行副理事長、中國科學院院士歐陽明高明確指出,寧德時代、天津力神、國軒高科等幾只團隊,已經基本實現了300瓦時/公斤動力電池的研發。


歐陽明高指出,國家原計劃希望在2020年,達成比能量達到300瓦時/公斤動力電池的量產目標,是確定無疑的,甚至有機會沖擊比能量350瓦時/公斤。


2018年1月7日,在中國電動車百人會舉行的一次媒體發布會,該組織執行副理事長歐陽明高發表演講,就2018年-2030年,全球動力電池的技術路線,階段性目標以及熱點問題進行闡述。


一些重要的觀點簡介如下:


1、2020年,產業化的300瓦時/公斤的動力電池取得了實質性突破,單體比能量達到350瓦時/公斤、系統260瓦時/公斤是我們力爭的目標。


2、中科院寧波材料所跟贛鋒鋰業合作,正在推進產業化,計劃2019年量產固態鋰離子電池。


3、豐田做的不是全固態鋰金屬電池,做的是固態鋰離子電池,它的負極是石墨類(因此難度是小很多的)。


4、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。


5、全固態鋰電池會在2025-2030年之間取得突破。


更詳細內容,請看歐陽明高先生的演講全文:


今年年會(1月21日)做報告我也將代表總體專家組,做技術報告。技術問題非常多,我現在重點關注有三個問題:電池、電耗、充電。


第一個,零部件層面、核心技術層面我想動力電池肯定是關鍵,燃料電池當然也很關鍵,我現在挑一個年度進展最大的,因為技術進展太多了。


第二個,整車技術。我今年關注的不是里程,是電動車的電耗,這是當前整車集成技術的核心問題。我今年年會也會講這個問題。


第三個,從整個新能源汽車推廣應用的系統工程來講,充電技術正在經歷需求大增長,技術大發展的時期。需要重點關注。


所以我在百人會年會大概會講這么三個問題,但今天我只挑一個問題,就是純技術的電池問題。


一、國內動力電池的主要技術進展。


第一方面,2020年要產業化的300瓦時/公斤的動力電池取得了實質性突破。


目前新能源汽車專項里面有三個團隊:一個是寧德時代新能源、一個是天津力神、一個是合肥國軒。這三個團隊目前基本上采用的技術路線大同小異,正極高鎳三元,負極是硅碳。這個電池技術指標已經接近應用要求,可以說有重大進展。


比能量都已經達到目標了,寧德時代的能量密度達到304瓦時/公斤,其他兩家也差不多。循環壽命上,寧德時代也基本上在1000次左右,當然還有部分企業安全性標準還沒有完全滿足,寧德時代安全性也全部通過。


300瓦時/公斤的單體,大概能做出200-210瓦時/公斤的電池系統,因為他們基本上是軟包電池,不是方形電池。


我們2017年年底、2018年年初單體能量密度大概達到230瓦時/公斤,系統大約150瓦時/公斤。


在2018、2019年我們還需要再提高50~70瓦時/公斤,這個我認為是可以做到的。至于在2020年,單體比能量達到350瓦時/公斤、系統260瓦時/公斤是我們力爭的目標。


第二方面,到2025年時,希望沖擊單體電池400瓦時/公斤的產業化目標。


單體300瓦時/公斤,變的是負極從碳變成硅碳,要達到400瓦時/公斤我們要變的是正極。目前可選的正極有好幾種,我們“新能源汽車重大專項”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,一個是中科院物理所,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,對于400瓦時/公斤應該是沒有問題的,甚至可能更高。


第三方面,更加前沿的,是固態電池。


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、中科院寧波材料所,中科院物理所等,也包括寧德時代新能源、中航鋰電等。


最近中科院寧波材料所跟贛鋒鋰業合作,正在推進產業化,計劃2019年量產固態鋰離子電池。


應當說固態電池無疑是2017年全球電池領域最熱的一個技術名詞,所以下面我以固態電池為例來介紹全球動力電池技術熱點。


二、全球電池技術熱點:全固態鋰電池技術概況


全固態鋰電池,這幾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。


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,所以我們全稱是“全固態電解質鋰電池”。


這個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,就是它的負極用的是鋰金屬,我們現在負極大家知道用的是碳或者硅碳或者鈦酸鋰。


全固態鋰電池的概念比鋰離子電池出現的更早。大家知道鋰離子電池只出現了25年左右,是日本人發明的,到現在25年,真正到車上用就10多年,所以很年輕但是進步很快。


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,所以一說全固態往往說到這個,就是說全固態的是以鋰金屬為負極的。


全固態鋰電池有幾個潛在的技術優勢:


第一,比方說安全性高。因為它沒有有機溶劑作為電解質引發電解液燃燒問題。


第二,能量密度高。這個要說明的是,固態電解質的密度和使用量高于液態電解質,在正負極材料相同的時候,他的優勢是不明顯的。但如果有了固態電解質之后就沒有電解液泄漏問題,所以它可以一片片全部疊起來,不像我們非要搞一個軟包包起來,這樣體積比能量就會高。


第三,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。還有,電解質的電壓窗口會更寬些,正極材料選擇范圍也就大,比能量也可以提高。


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。


但是問題也有。


第一個問題是固態電解質材料的離子電導率偏低。


現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。聚合物電解質這種,其實這個電池已經有了,現在在法國有些車上用,它的問題就是要加熱,電池要加熱到60度,離子電導率才上來,電池才能正常工作。


目前氧化物電解質的電導率一般比液態的還是要低很多。


只有硫化物的固態電解質的電導率現在跟液態的差不多,比如豐田就是用的這種硫化物的固態電解質,所以固態電解質是有突破的,主要的突破是在硫化物的固態電解質。


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。但是固體和固體接觸性和穩定性就不是太好了,這是它很大的一個問題。硫化物電解質雖然鋰離子導電率已經提高了,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。


固態鋰離子電池跟全固態鋰電池有什么區別?固態電池,不一定是全都是固態電解質,就是說還有一點液態,是液態跟固態混合的,看混合的比是多大。


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,所以還有準固態的,就是主要為固態、少量是液態。


關于固態鋰電池國內外動態


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。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。美國有兩家公司還是不錯的,都是初創公司,一個是Sakti3,續駛里程能到500公里,現在還處于初級階段。還有一個叫SolidPower,被寶馬等幾家大公司投資了。美國主要是小公司、創業公司干,立足于顛覆性技術。


日本的,基本上是固態鋰離子電池。最著名的豐田,將在2022年實現商品化。


我們看看豐田干的是什么?豐田做的不是全固態鋰金屬電池,做的是固態鋰離子電池,它的負極是石墨類,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,這個是靠譜的。


所以在日本,并沒有顛覆,還是鋰離子電池,正負極還可以用以前的。韓國,也是石墨類負極,并不是金屬鋰負極,跟日本差不多。


中、日、韓的情況是類似的,因為我們已經有了很大的鋰離子電池的產業鏈,不希望推倒重來。


三、綜合評述與展望


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。


從原理來講,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。


我們乘用車、轎車對體積比能量的要求可能比重量比能量來的還要重要,雖然說有每公斤400瓦時/公斤,體積比能量也只有400瓦時/升,這個我們對轎車來講就不大好了。


鋰離子電池一般來講,比方說重量比能量300瓦時/公斤,體積比就可以達到600瓦時/升。


鋰空氣電池,應該說集合了鋅空電池、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。


第三,全固態鋰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應該說出現突破。


總體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,會是從石墨負極,到硅碳負極,我們現在正在從石墨負極向硅碳負極轉型,最后有可能到金屬鋰負極,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2017年取得了一些突破?;诟呷萘扛讳囌龢O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。


根據上面的進展分析,我們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(不作為國家電池技術路線圖的依據,僅供參考),具體如下:


1、2020年,比能量300瓦時/公斤、比功率1000瓦時/公升,循環1000次以上,成本0.8元/瓦時以內,這個是確定的。


這個所對應的材料是什么呢?高鎳三元。大家知道我們現在國內正在從鎳:鈷:錳比例3:3:3轉向6:2:2,就是高鎳,鎳變成6,再轉變到8:1:1,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。


2、到2025年,正極材料方面進一步提升性能,比如說我們今年取得重要突破的富鋰錳基材料,當然還會有其他材料。


2020~2025年,從300瓦時/公斤—400瓦時/公斤,每瓦時成本從8毛錢降到6毛錢以內。這個時候我們一般的性價比的純電動轎車合理的里程300—400公里。


3、到2030年,在電解質方面有希望取得突破,也就是2025~2030年最大的突破可能在電解質,就是全固態鋰電池會規模產業化,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。當然需要其它技術的配合。

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