歐陽明高全面盤點動力電池技術進展

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)高質量發(fā)展熱點問題交流會清華大學召開。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)高質量發(fā)展”熱點問題交流會清華大學召開。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整理的要點內容。

1動力電池單體比能量已經(jīng)實現(xiàn)300瓦時/公斤目標

歐陽明高自1994年留學回國后，便進入清華大學博士后流動站工作，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工作，并主持和參與了國家和國際相關重大科技計劃，擔任國家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年當選中科院院士。

歐陽明高表示，當天的發(fā)言內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問題，現(xiàn)在歐陽明高重點關注電池、電耗、充電三個問題。他認為，電池方面，動力電池的技術進展取得了明顯成績；電耗而不是里程，已經(jīng)是當前整車集成技術的核心問題；充電領域正處于需求大增長、技術大發(fā)展的關鍵時期。

當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)劃的新能源領域的階段性目標是，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，國家政策層面還專門設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，三個團隊的技術路線相近，均為高鎳三元正極、硅碳負極，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準。

將電池單體組合為軟包電池系統(tǒng)后，預計系統(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，按照這樣的技術提升速度，完成2020年的規(guī)劃目標，還需要在2018年、2019年兩年內將系統(tǒng)比能量再提高50-70瓦時/公斤。“這個我認為是可以做到的。”

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，設計電池的第一準則是容量匹配，也就是正負極的容量要匹配?，F(xiàn)在鋰離子電池的正極克容量很低，在電池中的質量非常大，1克石墨要匹配2克以上正極；如果用硅碳負極，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/公斤的技術關鍵。

富鋰錳基雖然有高容量的特征，但電壓衰減非常嚴重，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。

北京大學夏定國老師所帶的團隊利用硫原子和鹵素原子調控富鋰材料中氧離子參與電荷補償?shù)目赡苄?，實現(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實現(xiàn)應用，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不確定性

全固態(tài)鋰電池，是2017年全球電池領域最熱的一個技術名詞。國內有多家研究機構和產(chǎn)業(yè)單位都在進行技術攻關，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)間內所使用的電極和電解質材料均呈固態(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)負極的不同，全固態(tài)鋰二次電池又可以分為負極為金屬鋰的金屬鋰電池和負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引發(fā)電解液燃燒問題；正極材料選擇的范圍寬，因為負極是鋰金屬，所以正極材料不含鋰都可以，此外，電解質的電壓窗口會更寬，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，由于電解質無流動性，可以方便地通過內串聯(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)電解質材料的離子電導率偏低，現(xiàn)在有三種固態(tài)電解質，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)電解質在室溫下和液態(tài)電解質的離子電導率相近，因此豐田研發(fā)的固態(tài)電池的電解質由硫化固態(tài)電解質材料構成，其中包含鋰、磷、硫和碘元素。“所以固態(tài)電解質主要的突破是在硫化物的固態(tài)電解質。”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，現(xiàn)在仍然還是不成熟的，還存在技術不確定性。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)鋰離子電池技術研發(fā)，如豐田研發(fā)的固態(tài)鋰離子電池，負極是石墨類，電解質為硫化物，高電壓正極，單體電池容量15安時，預計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，目前國內外技術研發(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。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)定性和金屬鋰負極可充性兩大問題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬負極電池還沒有成熟，但是以無機硫化物作為固態(tài)電解質的鋰離子電池應該說出現(xiàn)突破。總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負極，會是從石墨負極，到硅碳負極，我們現(xiàn)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，基于高容量富鋰正極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(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電池技術的發(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，目標基本可期。對應的材料將會是高鎳三元，目前國內正在從鎳：鈷：錳比例由3：3：3轉向6：2：2，下一步再進一步轉變到8：1：1，鎳變成8，鈷進一步降到1，甚至鈷進一步降到0.5。負極則從碳負極向硅碳負極轉型。

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毛錢以內降到6毛錢以內，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。

原標題:歐陽明高全面盤點動力電池技術進展