解析动力电池技术进展与趋势

来源:【拓尔德TRD】 发布日期:2022-06-15 分享 加入收藏 关注:960

重点关注有三个问题:电池、电耗、充电。


第一个,零部件层面、核心技术层面我想动力锂电池肯定是关键,燃料动力电池当然也很关键,我现在挑一个年度进展最大的,因为技术进展太多了。


第二个,整车技术,我今年关注的不是里程,是电动汽车的电耗,这是当前整车集成技术的核心问题。我估计今年年会也会讲这个问题。


第三个,从整个新能源汽车推广应用的系统工程来讲,充电技术正在经历需求大上升,技术大发展的时期。要重点关注。


我在百人会年会大概会讲这三个问题,但今天我只挑一个问题,就是纯技术的电池问题。


一、国内动力锂电池的重要技术进展


第一方面,面向300瓦时/公斤的电池,也就是2020年的这个电池。目前新能源汽车专项里面有三个团队,一个是宁德时代新能源、一个是天津力神、一个是合肥国轩,这三个团队目前基本上采用的技术路线大同小异,正极高镍三元,负极是硅碳,这个电池目前技术指标已经接近应用要求,就是说我们说重大进展就是说这样的,不是说还不靠谱的,这个就是我们要报告给大家的,就是说2020年要产业化的300瓦时/公斤的电池取得了实质性突破。现在从比能量角度都已经达到,像宁德时代新能源循环寿命也基本上在1000次左右,能量密度达到304瓦时/公斤,其他两家也差不多。


当然还有部分公司安全性标准还没有完全满足,宁德时代安全性也全部通过。300瓦时/公斤的单体大概能做出200-210瓦时/公斤的电池系统,因为他们基本上是软包电池,不是方形电池。我们去年年底、今年年初能量密度单体大概达到230瓦时/公斤左右,系统大约150瓦时/公斤左右。就是说我们2018、2019年还要再提高50~70瓦时/公斤。这个我认为是可以做到的。至于350瓦时/公斤、260瓦时/公斤是我们力争的目标。


第二方面,面向2025年产业化,希望冲击单体电池400瓦时/公斤。300瓦时/公斤实际上变的是负极从碳变成硅碳,到400瓦时/公斤我们要变的是正极,目前可选的正极有好几种,现在我们新能源汽车重点专项取得突破性进展的是高容量富锂锰基正极材料,有两个单位承担了前沿基础项目,一个是物理所,改善了富锂锰基正极循环的电压衰减。达到的指标是100周之后电压衰减降到了2%以内,应该说这是一个重大的进展。另外一个是北京大学的团队,首次研制出了比容量400毫安时/克的富锂锰基正极,关于400瓦时/公斤应该是没有问题的,甚至可能更高。


第三方面,更加前沿的,大家了解是固态电池。固态电池国内有多家研究机构和产业单位在做,包括中科院青岛能源所、宁波材料所,物理所等,也包括宁德时代新能源、中航锂电等。最近宁波材料所跟赣锋锂业合作,正在推进产业化,计划2019年量产。应当说固态电池无疑是2017年全球电池领域最热的一个技术名词,所以下面我以固态电池为例来介绍全球动力锂电池技术热点。

基于上述问题,特别是固态界面接触性/稳定性和金属锂的可充性问题,真正意义上的全固态金属锂离子电池技术,现在仍然还是不成熟的,还存在技术不确定性。目前展现出或者有突破的,有性能优势和产业化前景的,重要是固态锂离子电池。


固态锂离子电池跟全固态锂离子电池有什么差别?固态电池,不一定是全都是固态电解质,就是说还有一点液态,是液态跟固态混合的,看混合的比是多大。真正的固态锂离子电池,其电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质;所谓半固态,就是固态电解质、液态电解质各占一半,或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的,所以还有准固态的,就是重要为固态、少量是液态。


有关固态锂离子电池国内外动态。现在固态锂离子电池持续升温,美国、欧洲、日本、韩国、我国,都在投入。各个国家心态不太相同。例如美国,以小公司,创业型公司为主。美国有两家公司还是不错的,都是初创公司,一个是S-akit3,续驶里程能到500公里,现在还处于初级阶段。还有一个SolidState,还有一家公司被宝马等几家大公司投资了。因此美国重要是小公司、创业公司干,立足于颠覆性技术。日本的,基本上是固态锂离子电池,最著名的丰田,将在2022年实现商品化,我们看看丰田干的是什么?丰田做的不是全固态锂金属电池,做的是固态锂离子电池,它的负极是石墨类,硫化物电解质,高电压正极,单体电池容量15安时,电压是十几V的那种,2022年实现商品化,这个是靠谱的。所以在日本,并没有颠覆,还是锂离子电池,正负极还可以用以前的。韩国,也是石墨类负极,并不是金属锂负极,跟日本差不多。中、日、韩的情况是类似的,因为我们已经有了很大的锂离子电池的产业链,不希望推倒重来。


根据上面的进展分析,我们专家组对技术电池技术的发展趋势判断做了一次优化迭代(不作为国家电池技术路线图的依据,仅供参考),具体如下:


2020年,比能量300瓦时/公斤、比功率1000瓦时/公斤,循环1000次以上,成本0.8元/瓦时以内,这个是确定的,这个所对应的材料是什么呢?高镍三元,大家了解我们现在国内正在从镍:钴:锰比例3:3:3转向6:2:2,就是高镍,镍变成6,再转变到8:1:1,镍变成8,钴进一步降到1,甚至钴进一步降到0.5。负极要从碳负极向硅碳负极转型。这是我们当前的技术变革。


到2025年,正极材料方面进一步提升性能,比如说我们今年取得重要突破的富锂锰基材料,当然还会有其他材料。我们2020-2025年,从300瓦时/公斤400瓦时/公斤,每瓦时成本从8毛钱以内到6毛钱以内。这个时候我们一般的性价比的纯电动轿车合理的里程300400公里。


到2030年,希望在电解质方面取得突破,也就是2025-2030年最大的突破可能在电解质,就是固态电池会规模产业化,电池单体比能量有望冲击500瓦时/公斤。2030年,常规的性价比车型应该可以达到500公里以上。当然要其它技术的配合。假如电耗极大,例如冬天百公里三四十度电,电池好也不行。现在电动汽车越做越大,例如大SUV,车子重、风阻系数大,是一个值得改进的问题。


整车厂不做零部件,但是对零部件的理解比做零部件的人可能还清楚。比如说宁德时代新能源做电池就从宝马学到了很多。宝马对电池怎么掌握呢?整车公司不光委托一家零部件公司,而是会同时找10家、8家,都跟我合作,所以他的信息比拟单独一家清楚得多,拿过来就给你做评价、做比较。所以他比单一的零部件厂家反而了解的更多。宝马还在全球找许多大学和研究机构搞产学研合作,我们清华就是2011年开始宝马合作研究电池安全性的。他的水平体现在哪里呢?制定大量的规格、规范和标准,这是整车厂的技术水平。现在国内整车厂还是有差距的。


我们的技术战略叫纯电驱动,纯电驱动本身包括了纯电动,包括了混合动力,也包括了燃料动力电池,怎么让纯电驱动形成统一平台呢?比如说现在我们在燃油车基础上搞了纯电动,搞纯电动之后过渡到混合动力有各种各样的方式。一种最简单的方式就是日产现在推的增程式。现在好多公司已经在干这个事了。预计到2025年,普锐斯已经具备一定的竞争力,因为成本已经很低了。假如公司有很好的基础、有竞争力,就可以继续搞深度混合动力,假如说竞争力不够,那就选择增程多放点电池、多拿点积分,或者少放点电池,成本低点,串联混合。日产的汽车卖的很好,不比普锐斯差,刚刚说的单油门操作,就是纯电动的所有好处他都有,因为它也是纯电驱动的,加速性、自动回馈特别好,但是又解决了他的充电和续驶里程等问题。


假如按照纯电驱动这条路一直走下去也是可以的,可以把发动机的增程器变成燃料动力电池。SUV做纯电动,又要跑六七百公里,在现有的技术范畴下还是有难度的,就可以减少一点电池。燃料动力电池在客车、轮船、火车、大卡车都可以作为主动力,在乘用车上既可以做主动力,也可以作为辅助动力,这样就可以把整个交通动力连起来。因为可再生能源可以发电制氢,用氢来储能,氢燃料动力电池还可以用于发电装置,必须要大系统去考虑这个问题。


有的厂家问,现在做PHEV,2025年能不能推出?我说要我建议不一定要做了,假如现在才开始做混合动力,平台搞4、5年,到2025年再卖,那时候PHEV想拿到积分要100公里的纯电动,还要放一个很复杂的发动机、机电耦合变速器,那也得要2万块钱。到那个时候,电池大概七八百块就一个千瓦时,你这2万多块钱可以买30度电,账一算好像没必要。我们原来为何搞纯电动,因为纯电动相对简单,混合动力复杂。另外,混合动力也不一定非要迷信普锐斯的混合动力,因为现在不是说做不做得出来,是你有没有竞争力。即使做出来了,你比它贵,你说用户买谁的。汽车不是说掌握了核心技术就行了,还要有技术竞争力,同样做一个东西你得比他做得好、做得便宜,这才是成功的技术。


所以要我来给公司提建议,就是把这三个东西结合起来,让他串成一条线,相互之间是统一平台,一步一步走是变模块,不变太多东西,这就是我的观点。


我想过一段时间会有大浪淘沙,会有一部分公司逐渐被逼到墙角,这个时候它会采取各种各样的措施。但是我认为,在这个过程中这些公司都是做了贡献的,因为初始的时候就是试错的过程,试错的过程这个成本等于大家分摊了,虽然他最后可能退出了,但是他在这个过程中是做了贡献的,至少它是证明这个路线是不通的,或者是我这种运营方式是市场不能接受的,它是有了这样的贡献,所以它转过来还可以再去做别的,所以政府在这种过程中应该说和僵尸公司是两回事,在他退出的时候实际上无生无息就走了,可能被并购了或者等等。所以,我认为这个过程并不要过分的担心,值得担心的就是之,政府扶植起来的最后让它死不了,这个是最容易担心的事情。


欧阳明高:这个过程肯定是这样的,肯定会有洗牌。


记者:周期性大概是什么样,二位预估周期性是什么样的?


欧阳明高:可能2019、2020外资都开始做了,然后市场化上来了,传统公司也都开始做了,外资也都来了,补贴也退下去了,那自然大浪淘沙也就开始了,大概是这么一个过程。


纯电动汽车过冬,目前的确还是一个问题,一个是低温对电池的影响,第二个就是取暖消耗的功率偏大,现在在研发的技术这些问题应该会逐步得到解决,首先电池怕冷的问题就是电池热管理的问题,以前的电池大家是不怎么放加热的东西,因为加热也是有风险的,技术不是很成熟的时候不能放,因为电池的安全问题就是温度超过一按时候出现的,它必须有很好的安全保障才会新增。所以刚开始出的电池基本上是没有的,现在慢慢的因为加热的技术也越来越好了,这些技术现在新的产品中间都带了,也是老产品的确是没有的。


三元锂离子电池跟磷酸铁锂离子电池比,它的低温性能要好一些,不像磷酸铁锂变化很大。但是冬天加热是一个问题,不加热车内、只加热座椅电耗还是上来挺厉害的。现在有一个技术很快会出来解决这个问题,就是热泵空调,热泵空调国内已经有一定突破,应该会在今后几年上市,等热泵空调出来之后加热问题也会得到基本解决。不管怎么说,纯电动汽车永远都会存在能量不是过于充足的问题,所以纯电动汽车节能可能是永恒主题。


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