歐陽明高全面盤點(diǎn)動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展

2018-01-08 15:32:55 來源:能見Eknower 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

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

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

1動(dòng)力電池單體比能量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤目標(biāo)

歐陽明高自1994年留學(xué)回國后，便進(jìn)入清華大學(xué)博士后流動(dòng)站工作，長期從事汽車能源動(dòng)力系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)劃，擔(dān)任國家863<節(jié)能與新能源汽車>重大項(xiàng)目專家組組長，對(duì)我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大。此外，作為中國電動(dòng)汽車百人會(huì)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(huì)，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(gè)人觀點(diǎn)，一部分代表“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《新能源汽車》科技專項(xiàng)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(diǎn)關(guān)注電池、電耗、充電三個(gè)問題。他認(rèn)為，電池方面，動(dòng)力電池的技術(shù)進(jìn)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(shí)期。

當(dāng)天歐陽明高重點(diǎn)介紹動(dòng)力電池方面取得的突破和面臨的問題。

動(dòng)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(dòng)力電池單體比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤以上，力爭實(shí)現(xiàn)350瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260瓦時(shí)/公斤、成本降至1元/瓦時(shí)以下。到2025年，動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350瓦時(shí)/公斤。

為了達(dá)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(diǎn)專項(xiàng)來推動(dòng)代表性企業(yè)進(jìn)行能量密度的攻堅(jiān)戰(zhàn)。寧德時(shí)代、天津力神、合肥國軒高科三家鋰電池企業(yè)申報(bào)項(xiàng)目成功入選重點(diǎn)專項(xiàng)。

歐陽明高介紹，為實(shí)現(xiàn)高能量密度，三個(gè)團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤的比能量。寧德時(shí)代目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電池循環(huán)壽命達(dá)到1000次左右，能量密度達(dá)到304瓦時(shí)/公斤，其他兩家也差不多。并且寧德時(shí)代研發(fā)的高比能量動(dòng)力鋰離子電池已經(jīng)通過安全性驗(yàn)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(jì)系統(tǒng)的能量密度在200-210瓦時(shí)/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(shí)/公斤、系統(tǒng)比能量150瓦時(shí)/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(shí)/公斤。“這個(gè)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(jìn)展

我國新能源汽車重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)里面，產(chǎn)業(yè)化的指標(biāo)是在2025年實(shí)現(xiàn)單體電池400瓦時(shí)/公斤。歐陽明高指出，實(shí)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(gè)團(tuán)隊(duì)都在高容量富鋰錳基正極材料方面取得了突破進(jìn)展。

專家介紹，設(shè)計(jì)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(duì)電池比能量提升的作用更大。由于富鋰錳基具有250毫安時(shí)/克以上的可實(shí)現(xiàn)容量，是鋰離子電池突破400瓦時(shí)/公斤，甚至500瓦時(shí)/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(kuò)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(jì)，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(tuán)隊(duì)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(bǔ)償?shù)目赡苄裕瑢?shí)現(xiàn)了富鋰錳基正極400毫安時(shí)/克的比容量，雖然目前循環(huán)性還不是很好，但如果這個(gè)材料能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)500甚至600瓦時(shí)/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(gè)技術(shù)名詞。國內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位都在進(jìn)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(shí)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(jìn)產(chǎn)業(yè)化，計(jì)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?yàn)樗鼪]有有機(jī)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?yàn)樨?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(huì)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(dòng)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(shì)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(duì)固態(tài)電池，目前各個(gè)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(cuò)，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(shí)，預(yù)計(jì)2022年實(shí)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(dòng)力電池的進(jìn)展，綜述如下：

第一，鋰離子動(dòng)力電池有望于2020年前實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/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(qiáng)。

第二，鋰硫、鋰空氣電池方面，目前國內(nèi)外進(jìn)展相對(duì)緩慢，2017年沒有看到突破性的進(jìn)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(duì)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(shí)/公斤時(shí)，體積比能量可以達(dá)到600瓦時(shí)/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(diǎn)。相比而言氫燃料電池更具競爭優(yōu)勢(shì)。

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(jī)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(huì)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(jìn)展分析，“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《新能源汽車》科技專項(xiàng)專家組對(duì)技術(shù)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(shí)現(xiàn)比能量300瓦時(shí)/公斤、比功率1000瓦時(shí)/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時(shí)以內(nèi)，目標(biāo)基本可期。對(duì)應(yīng)的材料將會(huì)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(jìn)一步轉(zhuǎn)變到8：1：1，鎳變成8，鈷進(jìn)一步降到1，甚至鈷進(jìn)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(shí)/公斤提升至400瓦時(shí)/公斤，每瓦時(shí)成本從8毛錢以內(nèi)降到6毛錢以內(nèi)，具備一般性價(jià)比的純電動(dòng)轎車合理的續(xù)航里程將達(dá)到300—400公里。

到2030年，希望在電解質(zhì)方面取得突破，實(shí)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(shí)/公斤，常規(guī)的性價(jià)比車型續(xù)航里程可以達(dá)到500公里以上。

原標(biāo)題:歐陽明高全面盤點(diǎn)動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展

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