歐陽明高全面盤點動力電池技術(shù)進展

2018-01-08 15:32:55 來源:能見Eknower 　點擊量：評論 (0)

1月7日下午，由電動汽車百人會主辦的把握全球變革趨勢，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展熱點問題交流會清華大學(xué)召開。歐陽明高院士出席會議并發(fā)表了題為2017

1月7日下午，由電動汽車百人會主辦的“把握全球變革趨勢，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展”熱點問題交流會清華大學(xué)召開。歐陽明高院士出席會議并發(fā)表了題為“2017年動力電池技術(shù)進展與發(fā)展趨勢”的主旨演講，并就熱點問題展開交流。以下為能見Eknower整理的要點內(nèi)容。

1動力電池單體比能量已經(jīng)實現(xiàn)300瓦時/公斤目標(biāo)

歐陽明高自1994年留學(xué)回國后，便進入清華大學(xué)博士后流動站工作，長期從事汽車能源動力系統(tǒng)和發(fā)動機控制工程的研究與教學(xué)工作，并主持和參與了國家和國際相關(guān)重大科技計劃，擔(dān)任國家863<節(jié)能與新能源汽車>重大項目專家組組長，對我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻巨大。此外，作為中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長，歐陽明高近年來參與并主持了多場行業(yè)研討會，一直在為新能源汽車行業(yè)的發(fā)展出謀策劃。2017年當(dāng)選中科院院士。

歐陽明高表示，當(dāng)天的發(fā)言內(nèi)容一部分代表其個人觀點，一部分代表“十三五”國家重點研發(fā)計劃《新能源汽車》科技專項總體專家組。

圍繞著新能源汽車有很多技術(shù)問題，現(xiàn)在歐陽明高重點關(guān)注電池、電耗、充電三個問題。他認(rèn)為，電池方面，動力電池的技術(shù)進展取得了明顯成績；電耗而不是里程，已經(jīng)是當(dāng)前整車集成技術(shù)的核心問題；充電領(lǐng)域正處于需求大增長、技術(shù)大發(fā)展的關(guān)鍵時期。

當(dāng)天歐陽明高重點介紹動力電池方面取得的突破和面臨的問題。

動力電池是新能源汽車發(fā)展需攻克的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，2017年4月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、科技部聯(lián)合印發(fā)了《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃的新能源領(lǐng)域的階段性目標(biāo)是，到2020年，動力電池單體比能量達到300瓦時/公斤以上，力爭實現(xiàn)350瓦時/公斤，系統(tǒng)比能量力爭達到260瓦時/公斤、成本降至1元/瓦時以下。到2025年，動力電池系統(tǒng)比能量達到350瓦時/公斤。

為了達到能量密度不斷提升的目標(biāo)，國家政策層面還專門設(shè)立了新能源汽車重點專項來推動代表性企業(yè)進行能量密度的攻堅戰(zhàn)。寧德時代、天津力神、合肥國軒高科三家鋰電池企業(yè)申報項目成功入選重點專項。

歐陽明高介紹，為實現(xiàn)高能量密度，三個團隊的技術(shù)路線相近，均為高鎳三元正極、硅碳負(fù)極，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)300瓦時/公斤的比能量。寧德時代目前已經(jīng)實現(xiàn)電池循環(huán)壽命達到1000次左右，能量密度達到304瓦時/公斤，其他兩家也差不多。并且寧德時代研發(fā)的高比能量動力鋰離子電池已經(jīng)通過安全性驗證，部分企業(yè)目前還未滿足安全性標(biāo)準(zhǔn)。

將電池單體組合為軟包電池系統(tǒng)后，預(yù)計系統(tǒng)的能量密度在200-210瓦時/公斤，與去年年底、今年年初的行業(yè)水平（單體比能量230瓦時/公斤、系統(tǒng)比能量150瓦時/公斤左右）相比，有了大幅度的提升。歐陽明高表示，按照這樣的技術(shù)提升速度，完成2020年的規(guī)劃目標(biāo)，還需要在2018年、2019年兩年內(nèi)將系統(tǒng)比能量再提高50-70瓦時/公斤。“這個我認(rèn)為是可以做到的。”

2高容量富鋰錳基正極材料取得進展

我國新能源汽車重點研發(fā)專項里面，產(chǎn)業(yè)化的指標(biāo)是在2025年實現(xiàn)單體電池400瓦時/公斤。歐陽明高指出，實現(xiàn)這一目標(biāo)必須在正極材料上有所突破。目前中科院物理研究所以及北京大學(xué)兩個團隊都在高容量富鋰錳基正極材料方面取得了突破進展。

專家介紹，設(shè)計電池的第一準(zhǔn)則是容量匹配，也就是正負(fù)極的容量要匹配。現(xiàn)在鋰離子電池的正極克容量很低，在電池中的質(zhì)量非常大，1克石墨要匹配2克以上正極；如果用硅碳負(fù)極，正極的匹配量更大。因此，正極容量的提高對電池比能量提升的作用更大。由于富鋰錳基具有250毫安時/克以上的可實現(xiàn)容量，是鋰離子電池突破400瓦時/公斤，甚至500瓦時/公斤的技術(shù)關(guān)鍵。

富鋰錳基雖然有高容量的特征，但電壓衰減非常嚴(yán)重，隨著電壓越來越低，電池的能量密度也越來越低。另外，它的離子擴散系數(shù)和電子電導(dǎo)也非常低，倍率性能也比較差。因此目前改善富鋰錳基正極的主要工作包括：組成優(yōu)化設(shè)計，制備工藝優(yōu)化，表面改性。

目前，中科院物理研究所通過一種氣固的界面改性來構(gòu)筑表面的氧空位，使得富鋰錳基正極的電壓衰減問題得到了較好的解決，100周后衰減控制在2%以內(nèi)。

北京大學(xué)夏定國老師所帶的團隊利用硫原子和鹵素原子調(diào)控富鋰材料中氧離子參與電荷補償?shù)目赡苄裕瑢崿F(xiàn)了富鋰錳基正極400毫安時/克的比容量，雖然目前循環(huán)性還不是很好，但如果這個材料能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，實現(xiàn)500甚至600瓦時/公斤的鋰離子電池將不是問題。

3全固態(tài)金屬鋰電池還存在技術(shù)不確定性

全固態(tài)鋰電池，是2017年全球電池領(lǐng)域最熱的一個技術(shù)名詞。國內(nèi)有多家研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位都在進行技術(shù)攻關(guān)，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。歐陽明高介紹，最近寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作，正在推進產(chǎn)業(yè)化，計劃2019年量產(chǎn)。

所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組份的鋰電池。全固態(tài)鋰電池有全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，根據(jù)負(fù)極的不同，全固態(tài)鋰二次電池又可以分為負(fù)極為金屬鋰的金屬鋰電池和負(fù)極不含金屬鋰的鋰離子電池。

歐陽明高介紹，全固態(tài)鋰電池安全性高，因為它沒有有機溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒問題；正極材料選擇的范圍寬，因為負(fù)極是鋰金屬，所以正極材料不含鋰都可以，此外，電解質(zhì)的電壓窗口會更寬，正極材料選擇范圍更大，比能量也可以提高；系統(tǒng)比能量高，由于電解質(zhì)無流動性，可以方便地通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。

但是，固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低，現(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì)，一種是聚合物，一種是氧化物，一種是硫化物，其中只有硫化物的固態(tài)電解質(zhì)在室溫下和液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率相近，因此豐田研發(fā)的固態(tài)電池的電解質(zhì)由硫化固態(tài)電解質(zhì)材料構(gòu)成，其中包含鋰、磷、硫和碘元素。“所以固態(tài)電解質(zhì)主要的突破是在硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。”歐陽明高介紹。

但全固態(tài)鋰電池制造成本偏高，此外，還存在固態(tài)界面接觸性/穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問題，因此真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然還是不成熟的，還存在技術(shù)不確定性。目前展現(xiàn)出或者有突破的，有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。

歐陽明高介紹，對固態(tài)電池，目前各個國家心態(tài)不太一樣。美國以小公司，創(chuàng)業(yè)型公司為主，其中有兩家公司表現(xiàn)不錯，分別是S-akit3和Solid—State；日本則主要緊盯固態(tài)鋰離子電池技術(shù)研發(fā)，如豐田研發(fā)的固態(tài)鋰離子電池，負(fù)極是石墨類，電解質(zhì)為硫化物，高電壓正極，單體電池容量15安時，預(yù)計2022年實現(xiàn)商品化。中韓情況和日本基本類似。

4綜述

歐陽明高回顧動力電池的進展，綜述如下：

第一，鋰離子動力電池有望于2020年前實現(xiàn)300瓦時/公斤目標(biāo)，目前國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強。

第二，鋰硫、鋰空氣電池方面，目前國內(nèi)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(dāng)，所以它的體積比能量要提上來是有相當(dāng)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。而鋰離子電池重量比能量為300瓦時/公斤時，體積比能量可以達到600瓦時/升。因此，鋰空氣電池，應(yīng)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(yōu)勢。

第三，固態(tài)電池的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，但受到固/固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性兩大問題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬負(fù)極電池還沒有成熟，但是以無機硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池應(yīng)該說出現(xiàn)突破。總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，會是從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，我們現(xiàn)在正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)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，基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負(fù)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(jù)上面的進展分析，“十三五”國家重點研發(fā)計劃《新能源汽車》科技專項專家組對技術(shù)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢判斷做了一次優(yōu)化迭代（不作為國家電池技術(shù)路線圖的依據(jù)，僅供參考），具體如下：

2020年，實現(xiàn)比能量300瓦時/公斤、比功率1000瓦時/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時以內(nèi)，目標(biāo)基本可期。對應(yīng)的材料將會是高鎳三元，目前國內(nèi)正在從鎳：鈷：錳比例由3：3：3轉(zhuǎn)向6：2：2，下一步再進一步轉(zhuǎn)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(fù)極則從碳負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型。

到2025年，比能量將從2020年的300瓦時/公斤提升至400瓦時/公斤，每瓦時成本從8毛錢以內(nèi)降到6毛錢以內(nèi)，具備一般性價比的純電動轎車合理的續(xù)航里程將達到300—400公里。

到2030年，希望在電解質(zhì)方面取得突破，實現(xiàn)固態(tài)電池的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時/公斤，常規(guī)的性價比車型續(xù)航里程可以達到500公里以上。

原標(biāo)題:歐陽明高全面盤點動力電池技術(shù)進展

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