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WNEVC 2020 | 中国电子科技肖成伟:中国动力电池产业发展需重视五大方面问题

时间:2020-09-29 20:32:58|来源:|编辑:网络|点击:

2020年9月27-30日,第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开,本次大会以“共克时艰、跨界协同、合作共赢”为主题,为进一步加强国际交流与合作,加速突破新能源汽车市场化障碍,加快推进“电动化、智能化、共享化”融合发展,由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监督管理总局共同举办。其中,在9月29日举办的“先进动力电池技术创新”主题峰会上,中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟发表精彩演讲。

其主要观点如下: 

1.中国锂离子动力电池技术路线的变化趋势呈现混合动力和纯电动汽车领域应用并重,纯电驱动汽车领域应用为主,兼顾混合动力汽车领域。

2.300Wh/kg高比能锂离子电池成为当前产业化热点。

3.刀片电池技术、CTP和大模组技术、无钴电池技术、锂离子电池干法工艺技术是当前的几个技术创新热点。

4.未来需要重视能量密度、功率密度、安全、循环耐久和成本之间的平衡;智能制造和数字化工厂设计;动力电池系统的设计开发及产业化水平;标准化(单体、模块及系统)及全生命周期的测试验证(尤其是安全可靠性);新材料及新体系电池前瞻技术的研发(固态电池、锂硫、锂空气电池盒锂离子电池等)等五大方面的问题。 

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的吴院士,在座的同仁大家好!我报告的题目是中国车用电池技术现状及发展趋势,主要是以下几个方面的内容。

    一、新能源汽车发展趋势

万钢主席昨天提到了,全球汽车产业进入百年未遇的大变革时代,汽车产业转型正在加速,世界主要的汽车强国,像美国、欧盟、德国、日本都发布了新能源汽车相关的战略和发展目标,许多国家和地区也发布了停售燃油车的时间表。一些整车企业也发布了传统燃油车停售的时间和停售的计划,国际能源署在2019—2020全球电动汽车展望里提到,到2030年的时候,电动车的保有量预测是在1.5亿一2.5亿辆的范围。中国新能源汽车产业发展规划,是到2025年新能源汽车新车销量占比20%以上,博鳌共识里新能源汽车占比,在2035年要达到50%。

在中国政府的大力支持下,中国新能源汽车产业发展非常迅速。2019年,新能源汽车保有量420万辆,2019年的销量为120.6万辆,占当年汽车销量占比为4.68%。中国新能源汽车的年销量从2015年开始占到世界年度新能源汽车总销量50%以上。2020—2035年中国新能源汽车市场目标:2020年新能源汽车的销量达到500万车辆,2025年达到3000万辆,2030年达到7500万辆,2035年是12000一14000万辆。

    二、动力电池国内外的规划

动力电池是新能源汽车的核心部件,也是新能源汽车动力转型的关键支撑,在这方面,世界上汽车强国制订了国家级的规划,动力电池应用到新能源汽车,要达到高能量密度、高功率密度和高安全特性等要求。

从实用化的动力电池体系来看,锂离子电池比较好的满足了新能源汽车的要求。像欧盟、日本、美国、德国等等都发布了国家级的动力电池规划,主要涉及三个层次,一是实用化的锂离子电池,二是高性能化的锂离子,三是新体系化的锂离子。中国新能源汽车国家规划涉及到的动力电池的内容也是这三个层次,实用化的锂离子电池做到300Wh/kg,高级性能化的做到400Wh/kg,气体性电池要做到500Wh/kg。

这是科技部发布的新能源汽车重点研发专项的动力电池的内容,涉及到六个方面,包括材料、电池、系统、集成、测试、评价等新体系电池。从2个方面,一个产业化的方面,一个是基础研究方面开展相应的研发工作和一些相应的考核指标设置。

现在也完成了节能与新能源汽车2.0版技术路线图的设计,动力电池是一个新的内容。到2.0版的时候,动力电池涵盖乘用车、商用车两大领域,包括混合动力、插电式混合动力汽车和纯电动汽车三大技术方向。针对不同的应用汽车,能量型分为三点,成本驱动型、寿命驱动型的和高性能驱动型。

    三、动力电池技术的进展与趋势

在国家的支持下,动力电池能量密度的指标逐年提升。高比动力电池是国家支持研究的重点方向,在国家的支持下,技术的进展很快,产业化的进展也很快,已经实现产业化电池的体系。从材料体系来看,负极主要以石墨为主。正极材料包括磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料。碳酸铁锂的密度基本做到160一190Wh/kg,主要是针对大巴车的市场。现在根据补贴的调整,包括双积分政策的实施,碳酸铁锂在经济型纯电动车领域市场份额在提升了。锰酸锂与三元材料混合,成本比较低,能量密度现在可以做到180Wh/kg,最主要是在物流车的市场应用比较多。三元材料这块,高镍材料是应用最为广泛,中镍521的材料安全性会更好,成本也较低,在乘用车的市场用量是最大的,中电523电池的高电压化也是一个趋势。

这个展示的是磷酸铁锂的情况,磷酸铁锂的黏性比较好,循环寿命比较长,最主要是拥有大巴车的市场,这里展现的是比亚迪、宁德时代、亿纬锂能、天津力神、合肥国轩的高比能型锂离子动力电池。高比能型锂离子动力电池快速发展,主要是在乘用车领域,安全性和使命寿命满足整车的要求,实现了规模化的应用,无论是方型的圆柱的还是软包的,配套都是非常好。锂电池的快充技术也很好,主要是用在快充型大巴车的市场,这是盟固利开发的快充型电池,能量密度达到120Wh/kg,可以做到4倍率的充电能力,15分钟左右大概能充到80%的容量。 

把前面应用的情况总结看一下,2019年三元材料的市场占比大概是65%,磷酸铁锂基本上是32%,最主要是应用在纯电动客车和乘用车,从系统能量密度来看,系统能量密度在120Wh/kg以上,2019年基本上是在140Wh/kg以上的水平。

从发展的趋势来看,从材料体系来看,最主要是在硅碳负极、隔膜是在薄型化涂层聚乙烯的隔膜,电解质原料基本上是以高电压的电解质为研究方向。在正极这一块,我们会进行高容量的材料,或者是高镍的材料、高电压的材料、富锂的材料。磷酸铁锂的能量会得到进一步的提升,大概会做到200一250Wh/kg,高镍会做到300Wh/kg的水平,富锂会做到400Wh/kg的水平。工业混合的锂离子电池也是大家关注的重点,一些企业在做相应的研发工作。

咱们看看300Wh/kg的情况,我们的定性是取得了重大的进展,像宁德时代、天津力神和合肥国轩项目都采用了高镍三正极和SiOx/C负极,采用软包装形式,从进展来看比较顺利。比亚迪、孚能、盟固利这些企业都做到了300Wh/kg的电池,我们把300Wh/kg的电池体系和材料体系做了一个拓展,正极保持高镍的811的材料,负极采用的是石墨的材料。比亚迪开拓的270Wh/kg方型的电池,孚能和天津力神开发了290Wh/kg的电池,从展示来看是比较好的测试的结果。

我们把前面300/290/260Wh/kg做了第三方集中测试的评价,从安全性来说,满足了国家新的强标要求,从温循环容量和高温循环容量来看都展示了不错的测试结果。我们把300Wh/kg的电池在系统里做了集成,这是展示天津力神研究的结果,做了一些轻量化,安全性方面做了很多的工作,通过循环性能测试来看,展现的效果是不错的。这只是一个新鲜电池,也就是生命开始的情况,我们在使用中后期的安全性还要做比较深入的研究。在快充方面有三类,一类是插电用的,一类是高比能量的调剂兼容其,三是高频率的快充电池,从周期检查结果来看,整个进展非常好,在这三类开发的电池的产品都实现了应用。

下一代能量密度大于400Wh/kg高比能动力电池研究的进展,高比能量的硅碳负极材料,为下一代400Wh/kg高比能电池的研发奠定了基础。

在固态电池,最主要是固液混合的锂离子电池,循环寿命、安全性方面展现了比较好的进展,一千次的循环容量保持率在90%以上,并且也通过了挤压等安全性的测试。

从长期来看,最主要是开展新体系电池的研究工作,包括锂硫、锂空气电池、固态电池等等都是做技术性的工作为主。

中国动力电池产业化进展迅速,现在形成了四大主要聚集区,珠三角、长三角、京津地区、中原地区。目前年产能规模超过4千亿瓦时,80多家电池企业,但优质产能仍严重不足。

    四、当前的几个技术创新热点

刀片电池技术,最主要的特点是把电芯的利用率做了提升,对电池系统的体积利用率也做了提升。

CTP技术和大模组技术,有了一个比较大的提升,提升了电极系统的能量密度,但是以下三个方面需要我们加强研究:加强长模组的热扩散考核与验证;提升电池单体维修/更换的便利性;研究车型适配广泛性等。

无钴电池技术,降低了钴元素的依赖度,长远来看有望降低电池的成本。

锂离子电池干法工艺技术,现在很多企业在做相应的研究,比如说可以把高镍三元材料应用得比较好,也可以提升电池的能量密度和循环寿命等等。

安全技术,今年电动车的安全事故发生得比较多,引起了社会各界的广泛关注,从安全技术的角度来看需要从系统性的角度考虑,对系统的集成、测试评价、安全监控等等方面,从整个产业链上技术相应的安全技术管控,比如说材料方面,正极、负极等等要采取安全性电池系统的设计、电池系统的集成等等都要做安全性的创新。通过智能化工厂应用的提升电池使用过程中的一致性和安全性。从评价的角度,从材料到系统要开展全生命周期安全性的考虑。我们在使用过程中还要进行早期的安全预警的创新工作。

加强对电力电池系统热散方法和流程的研究,目前来说,对电池的安全性考核和验证,除了这项,其他在法规的测试项目里规范会比较完整,这块是新增的,包括在国际上,大家也做了很多的研究成果的体现。电池热、湿控储存方法、热扩散的测试验证方法,包括他们结果的可重复性,这都是世界的难题,需要电池企业和整车企业做深入的研究。

动力电池梯级利用及资源回收,汽车使用年限到期之后,对电池要技术提质利用和资源回收,目前来看,磷酸铁锂的电池,资源回收的利用价值低,三元锂离子回收价值高一点,今后随着智能水平的提升,资源回收无论是技术还是经济性都可以得到比较好的实现,从这个角度也可以推动动力电池的循环利用、可持续发展。

五、需重视的问题

1、以安全为核心,在提升能量密度的前提下,能量密度、功率密度、安全、循环耐久和成本之间寻求平衡点。

2、实现智能制造和数字化工厂设计,大幅提升生产效率和产品一致性。

3、提升动力电池系统的设计开发及产业化水平。

4、标准化(单体、模块及系统)及全生命周期的测试验证(尤其是安全可靠性)。

5、新材料及新体系电池等前瞻技术的研发(固态电池、锂硫、锂空气电池盒锂离子电池等)。

这会为下一代动力电池做好应用的储备的,谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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