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| 本文作者： 利榮 | 2018-01-08 15:12 |
雷鋒網(wǎng)新智駕按：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”熱點問題交流會在清華大學召開。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。
以下為歐陽明高的演講內容，經(jīng)雷鋒網(wǎng)新智駕不改變原意的編輯整理。
國內動力電池的主要技術進展
針對2020年實現(xiàn)300瓦時/公斤的電池目標，目前取得了實質性突破。
目前新能源汽車上的電池研究團隊主要包括：寧德時代新能源、天津力神和合肥國軒高科動力能源，這三個團隊采用的技術路線大同小異。
從比能量角度出發(fā)，寧德時代新能源研發(fā)的電池循環(huán)壽命在1000次左右，能量密度達到304瓦時/公斤，且安全性也全部通過。因為他們采用的是軟包電池，非方形電池。
其實2017年底，軟包電池的能量密度單體已經(jīng)達到230瓦時/公斤左右，系統(tǒng)約150瓦時/公斤左右。因此，2018-2019年間再提高50~70瓦時/公斤的目標可以輕松實現(xiàn)，爭取能量密度單體達到260-350瓦時/公斤。
面向2025年產業(yè)化，目標沖擊單體電池400瓦時/公斤。
單體電池300瓦時/公斤是負極從碳變成硅碳，400瓦時/公斤的單體電池改變的是正極，目前可供選擇的正極幾種，而重點專項取得突破性進展的是高容量富鋰錳基正極材料，有兩個單位承擔了前沿基礎項目，一是物理所，改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減，達到的指標是100周之后電壓衰減降到了2%以內，是一個重大的進展；另一個是北京大學團隊，首次研制出了比容量400毫安時/克的富鋰錳基正極，對于400瓦時/公斤的單體電池沒有問題，甚至可能更高。
固態(tài)電池技術發(fā)展
國內有多家研究機構和產業(yè)單位在研究固態(tài)電池，包括中科院青島能源所、寧波材料所，物理所、寧德時代新能源和中航鋰電等。據(jù)雷鋒網(wǎng)新智駕了解，日前寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)達成合作，正在推進產業(yè)化，計劃2019年量產。應當說固態(tài)電池無疑是2017年全球電池領域最熱的一個技術名詞。
1、全固態(tài)鋰電池定義
歐陽明高院士強調，全固態(tài)鋰電池，這幾個詞每一個字都不能少、不能變，例如“全固態(tài)”跟“固態(tài)”是不一樣的，“鋰電池”和“鋰離子電池”也不是一個概念。“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，所以全稱是“全固態(tài)電解質鋰電池”。
2、全固態(tài)鋰電池分類
全固態(tài)鋰電池又分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，根據(jù)負極是否直接使用金屬鋰為活性物質，全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池，這兩個概念又要區(qū)別，所謂全固態(tài)金屬鋰電池，就是它的負極用的是鋰金屬，目前市面上的負極是碳或者硅碳或者鈦酸鋰。
全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)的更早，鋰離子電池是日本人發(fā)明的，到現(xiàn)在有25年的時間，但是運用到汽車上只有10多年，屬于年輕且進步較快的電池。
3、全固態(tài)鋰電池的潛在技術優(yōu)勢
全固態(tài)鋰電池之所以受到廣泛關注，主要是因為有望解決目前困擾動力電池發(fā)展的兩大關鍵問題-安全性和能量密度低，其潛在優(yōu)勢包括：
安全性高，由于采用高熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質，代替了易燃的常規(guī)有機溶劑電解液電池燃燒問題得到解決。
能量密度高，由于金屬鋰的超高容量，給予相同正極時，固態(tài)金屬鋰電池與常規(guī)液態(tài)鋰離子電池相比，其能量密度可以得到大幅度提升。需要說明的是，由于固體電解質密度和使用量高于液態(tài)電解質，在正負極材料相同時，全固態(tài)鋰電池優(yōu)勢不明顯。
正極材料選擇范圍寬，由于全固態(tài)鋰電池可以直接采用金屬鋰為負極，不要求正極結構中含有鋰，一些高容量的貧鋰態(tài)材料也可以作為正極。此外，無極固態(tài)電解質寬的電化學窗口（>5V），也為高電壓正極材料的應用提供可能。
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。
4、全固態(tài)鋰電池的主要技術難點
全固態(tài)鋰二次電池雖然具有一些潛在技術優(yōu)勢，但同時也存在一些迫切需要解決的技術難題。
（1）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，聚合物電解質這種，其實這個電池已經(jīng)有了，現(xiàn)在在法國有些車上用，它的問題就是要加熱，電池要加熱到60度，離子電導率才上來，電池才能正常工作。目前氧化物電解質一般比液態(tài)的還是要低很多。只有硫化物的固態(tài)電解質現(xiàn)在跟液態(tài)的差不多，比如豐田就是用的這種硫化物的固態(tài)電解質，所以固態(tài)電解質是有突破的，主要的突破是在硫化物的固態(tài)電解質。
（2）固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差
液體跟固體結合是很容易的，滲透進去。但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就不是太好了，這是它很大的一個問題。硫化物電解質雖然鋰離子導電率已經(jīng)提高了，但是仍然有界面接觸性和穩(wěn)定性問題。
第三個問題是金屬鋰的可充性問題。在固態(tài)電解質中，鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長問題。其循環(huán)性，甚至安全性等還需要研究。
（3）制造成本偏高，全固態(tài)鋰電池制備工藝復雜，且固體電解質較貴，現(xiàn)階段電池成本較高。
（4）金屬鋰的可充性差，金屬鋰在液態(tài)電解質中反復充放電時易出現(xiàn)粉化、枝晶生長等問題，導致其循環(huán)性極差。
基于上述難點問題，特別是固態(tài)界面接觸性/穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術尚未成熟，還存在很大的技術不確定性。目前展現(xiàn)出或者有突破的產業(yè)前景主要是固態(tài)聚合物鋰電池和是固態(tài)鋰離子電池。
5、全固態(tài)鋰電池與固態(tài)鋰電池區(qū)別
固態(tài)電池，不一定是固態(tài)電解質，還有一點液態(tài)，是液態(tài)跟固態(tài)混合的；固態(tài)鋰離子電池，其電解質是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質；半固態(tài)，就是固態(tài)電解質、液態(tài)電解質各占一半，或者說電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的，準固態(tài)，就是主要為固態(tài)、少量是液態(tài)。
簡單地說，固態(tài)電池是一種外觀上貌似固態(tài)，但實質上采用固液混合電解質的電池。
6、固態(tài)鋰電池國內外動態(tài)
現(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫，包括我國在內的美國、歐洲、日本和韓國都在開展研究。
美國專注于有機-無機復合固態(tài)電解質的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，以小公司，創(chuàng)業(yè)型公司為主。一個是S-akit3，續(xù)駛里程能到500公里，現(xiàn)在還處于初級階段，還有一個初創(chuàng)公司Solid—State，立足于顛覆性技術。
日本采用無機固體電解質的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，多家公司出臺了量產計劃。其中豐田是固態(tài)鋰離子電池，它的負極是石墨類，硫化物電解質，高電壓正極，單體電池容量15Ah，2022年實現(xiàn)商品化。
韓國同樣和日本一樣采用無機固體電解質的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，試制品也是石墨類負極，非金屬鋰負極。歐陽明高表示，中國、日本和韓國的情況相類似，因為我們已經(jīng)有了很大的鋰離子電池的產業(yè)鏈，不希望推倒重來。
1、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。
2、鋰硫、鋰空電池作為實現(xiàn)遠期目標的兩類新體系，目前國內外進展相對緩慢。
2017年兩者沒有突破性的進展，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。鋰空電池集合了鋅空電池、氫燃料電池和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。
3、固態(tài)電池的研發(fā)產業(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)鋰電池技術尚未成熟。
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，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。
4、2017年中國在高容量富鋰正極材料方面取得了一些突破，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，歐陽明高、陳清泉等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，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，這個是確定的。
所對應的材料是高鎳三元，目前國內正在從鎳、鈷、錳比例3：3：3轉向6：2：2，最后轉變到8：1：1，鎳變成8，鈷進一步降到1，甚至鈷進一步降到0.5。負極要從碳負極向硅碳負極轉型。這是我們當前的技術變革。
2025年，正極材料方面進一步提升性能。
2017年取得重要突破的富鋰錳基材料，從300瓦時/公斤—400瓦時/公斤，每瓦時成本從0.8元降到0.6元以內，這時一般性價比的純電動轎車合理的里程為300km400km。
2030年，固態(tài)電池會規(guī)模產業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時/公斤。
雷鋒網(wǎng)新智駕了解，歐陽明高在1月20日舉行的百人會上，主要講解三個問題：電池、電耗和充電。
零部件層面和核心技術層面的關鍵技術是動力電池和燃料電池，詳細講解年度技術進展最大的一個。
整車技術中，今年關注的不是里程，而是電動汽車電耗問題，因為電耗是當前整車集成技術的核心問題。
新能源汽車推廣應用的系統(tǒng)工程中，充電技術的需求與變化。
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