《提高比能量仍是动力电池的技术走向》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2020-08-15
  • 随着中国新能源汽车市场的快速发展,随着欧洲以碳减排为目标,积极鼓励电动汽车增产扩市,随着日韩车企把目标瞄向氢能源,新能源汽车已然成为汽车产业的新宠。2020年,中国新能源汽车加速从政策主导向市场主导转变,国际汽车巨头发力中国新能源汽车市场,作为新能源汽车最重要的核心部件,动力电池产业的竞争也进入新的阶段。

    2020年7月25日,中国电动汽车百人会举办了“动力电池产业整体趋势再研判”的闭门研讨会,来自电池企业的代表与电池方面相关专家就当前动力电池产业发展发表了各自的看法。

    高比能量、长续驶里程是车企必然选择

    电池成本高、续驶里程短,一直是阻碍电动汽车扩大销量的主要问题。反映在动力电池技术上,则是电池的能量密度决定续驶里程的长短。在能量密度一定的前提下,要延长续驶里程就要多装电池,但电池装多了成本就上升,还会挤压宝贵的车内空间。面对这种两难,尽管提高电池能量密度会带来更多安全问题,但这条路依然成为车企的必然选择。

    为了提高能量密度,电池企业积极探索多种形式的创新。包括创新磷酸铁锂模组工艺;寻找正极、负极新材料;推广固态电解质、新型隔膜等。LG化学中国总部副总经理孙兴起将电池技术的新发展概括为三个方面:单体材料的创新、模组结构的创新、制造工艺的创新。中航锂电科技有限公司 CMO谢秋认为,现在行业内探讨的,用结构创新提高电池包的体积能量密度的大电芯、大模组,甚至是无模组结构的总体目标都是一致的,就是通过集成和互用减少一些不增值的结构设计。

    比亚迪刀片电池从设计上减少了动力电池无能量部件的使用,在PACK层面提升了磷酸铁锂电池的能量储存密度,使磷酸铁锂电池体积比能量密度提升50%,配装磷酸铁锂电池的电动汽车也达到了500公里以上的续航里程,让这种成本低、安全性好,但能量密度也低的电池焕发了新的生机。

    全固态电池是最有可能超过锂离子电池能量密度、简化结构工艺、降低成本的技术路线。宁德时代的刚性膜片及固态锂金属电池专利,使能量密度达400Wh/kg以上,并解决了安全性和循环寿命等难题,提升了固态锂金属电池的循环性和降低短路发生几率。在解决提升电池能量密度和提高电池安全水平这对矛盾方面进行了有益的探索。

    目前,中国大部分汽车厂商和新能源厂商都参与到固态电池的研发中。据了解,目前,清陶能源、辉能科技、赣锋锂业、万向一二三、卫蓝新能源、珈伟股份、巨电新能源等锂电企业,均在建固态电池产线。大众、三星、宝马等国际巨头也在寻求固态电池领域的突破。据天津力神总裁助理丁照石介绍,在2020年到2025年期间,企业一直在致力于三元材料中钴含量的降低,甚至在做无钴材料,电解液向固态化方向发展。天津力神判断,固态电池有望2030年后实现商业化。

    成本、安全、寿命,关系电动汽车的成败

    当前,提升动力电池能量密度、降低成本、提高寿命、保障使用安全,已经成为消费者对电动汽车的基本要求,其中的安全更成为社会关注的焦点。远景AESC中国区总裁赵卫军指出:电动汽车的安全是什么?安全是对边界的认知和把控。宁德时代新能源科技股份有限公司董事长助理孟祥峰也认同这个观点,他认为,电动汽车的安全保障一方面来自于电池本身的安全特性和一致性,另一方面也来自于外部的安全边界控制得好。

    中航锂电 CMO谢秋指出:安全是个系统工程,需要从材料、电芯的设计改善、制程的控制和检测技术,还有电池包的安全设计等各个维度去考虑,包括生命周期、充电策略的管控优化。

    降低钴用量,探索高镍无钴材料,以降低电池成本;探索电池补锂技术,结合热管理和BMS窗口控制技术,以开发长寿命电池;大力开发固态电池,以提高电池安全性,正成为电池企业积极探索的方向。

    6月初,宁德时代宣布研发出16年超长寿命或200万公里行驶里程,成本相比当前电池仅增加不超过10%的新技术,这一技术适用于磷酸铁锂和三元电池。孟祥峰指出,追求高能量密度、追求高续航的方向没有错,那是未来新能源汽车和电池竞争的关键点,但是要把安全问题解决好。

    据中国汽车技术研究中心首席专家王芳介绍,去年,国家成立了新能源汽车事故调查专家组。专家们在调查中发现,有两大类原因导致新能源汽车事故的发生。第一类原因比较简单,就是产品存在着明显的设计缺陷。第二类则找不到明显的设计缺陷,造成事故的原因都是不同的,涉及到从原材料选择、电池研发制造到系统集成诸多方面、各个环节。她总结说,电动汽车的安全问题也是一个系统工程,应该与技术革新关联起来。

    三院士建议:加强基础技术研究,寻找颠覆性创新

    针对未来动力电池发展,会议上三位院士给出了各自的建议。

    中国工程院院士吴锋提出,我国动力电池产业发展多年,有了很大进步,但还有产生颠覆性创新的空间。要将学校、研究单位和企业联合起来,建立一种新型合作关系,从材料体系、电池体系、制造工艺等方面进行较大创新,才能提高动力电池本身的智能化,制造电池过程的智能化水平。这些都需要得到国家的重点支持。

    中国工程院院士陈立泉建议关注钠离子电池的发展。他介绍,钠离子电池有很多优点,比如正负极都可以采用铝箔,能大幅降低电芯和模组的工艺要求,双极性电池也容易做成。这样可以让钠离子电池脱离锂离子电池的技术路线走出一条新路。我国钠资源很丰富,可以规避锂资源依赖进口的风险,同时其成本比磷酸铁锂还低。

    这些优势可以使其拓展两个应用领域:第一是给低速电动车用,低速电动车的一大问题就是使用低成本铅酸电池带来的污染,而在低速电动车上大规模推广磷酸铁锂和锂电池又受到成本的制约;第二是资源丰富和低成本的优势,可以使其应用在大规模储能上。据他介绍,两年前,中国科学研究院物理研究所已在低速电动车上进行了钠离子电池的试验,去年做了储能演示装置的试验。

    中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高表示,动力电池的产品开发、技术攻关、颠覆创新三方面同等重要,三条线要并行发展。基础研究的目标是动力电池单体比能量达到500瓦时/公斤,系统比能量达到300瓦时/公斤,体积密度达到1000瓦时/升。他特别指出,下一步的重点是挖潜电池理论容量和比能量,要依靠全链条的智能化,包括材料开发的基因组、仿真、大数据等等来实现。还要支持0—1原创的颠覆性技术开发,支持基础技术研究。

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    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-07-31
    • 6月27日,中国电动汽车百人会秘书长兼首席专家张永伟在“中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛”上表示:“目前在各种技术路线竞争中,既有传统燃油车的提升路线,也有混合动力的路线,还有氢燃料的路线。因此以锂电池、三元电池为主的纯电技术路线需要加快的创新,找到核心竞争力。但是,现在电池的创新面临着很多不协调的问题,如材料和电池不协调,电池和整车不协调,整个电池制造和环保产业不协调。”   动力电池产业的快速进步,支持了电动汽车整体性能和竞争力的提高,在政策和市场双驱动下,新能源汽车和动力电池市场取得快速发展。然而,电动汽车发展是个系统工程,涉及整车正向开发、电机、电控、电池、轻量化、智能化等,最基础、最重要的仍是电池技术突破,可以说电池是破解里程焦虑、降低成本、提升性能的关键。   对此,张永伟表示:“在目前国内汽车产业链中,电池的发展最为领先,其他的方面还存在着很多短板。但伴随产能增大,也出现了投资虚化的问题。所谓的投资虚化是大量的投资围绕着一些固化的技术、一些低端的领域来积聚,容易制造一些没有实际竞争力的产能,这些产能最后可能会成为产业创新的障碍,所以产能大了不一定是最大的优势,但是没有产能很难跨过构筑竞争的门槛,这是一把双刃剑。”   按照产业发展规律,拼生产规模只是浅层次的竞争,不断提高自己的竞争地位最重要的仍是掌握核心技术,而且有能力不断创造核心技术,这就需要电池企业要以全球的视野生产一代、开发一代、预研一代。   6月15日,日本新能源产业技术综合开发机构宣布,与丰田公司和松下等企业启动新一代高效率电池(固体电池)的核心技术的开发。该项目力争在2022年度之前,确立固体电池核心技术,到2030年前后,将每千瓦时电池组的成本降至锂电池的1/3左右,将快速充电时间缩短至1/3,即10分钟。   中国电动汽车百人会理事长陈清泰表示:“在锂电池领域,日本企业已被中国企业赶超,在固态电池项目中,日本将举全国之力推进研发,力争夺回电池产业的霸权。这种竞争会激励中国的企业加倍努力。”   与此同时,北大先行科技产业有限公司总裁高原认为,短期或中期内固态电池可能实现突破,固态电池会用锂金属作为负极,提高能量密度,能够解决当前产业面临的许多问题。   需破解产能问题   事实上,在电动汽车市场的带动下,全球锂动力电池出货量由2011年的1.08GWh上升至2017年的62.35GWh,其中中国已经领军动力电池市场,出货量占比已经超过60%。前十企业全部为中日韩企业,占市场总额的80%。   面对电池产业竞争格局和发展事态的变化,陈清泰表示:“全球动力电池竞争日益激烈,中国企业将逐步由国内市场向国际市场扩展,而日韩企业也将进一步向中国市场发力,中国将成为动力电池竞争的主战场,欧美国家的企业虽然在本轮竞争中失去了位置,但是已经在为下一阶段的竞争做布局,是潜在的强大竞争者。”   伴随电池产业的发展,产能利用不足等问题却越发突出。目前我国动力电池市场也出现供应紧张和产能过剩并存的现象。数据显示,去年中国动力电池的产能已经超过了200GWh,但总体产能利用率却只有40%,市场两极分化非常明显,高端优质产能供应不足,低端产能订货不足,生产经营困难,呈现出结构性的产能过剩。宁德时代新能源科技股份有限公司副董事长黄世霖预测,动力电池产能过剩的情况可能会延续到2020年以后。   造成以上问题与盲目投资密不可分的。据不完全统计,国内动力电池相关投资项目多达100个,总投资额超过2159亿元。31个典型并购事件涉及交易金额427.74亿元,涉及上游资源和材料、中游电池生产及装备,及下游回收利用环节。   数据显示,中国动力电池配套企业已经从2015年的大约150家,降到了2017年的100家左右,1/3的企业已经被淘汰出局。   但一个潜在危机却不容忽视,即全球锂、钴、镍资源呈现出寡头垄断的特征。据了解,全球锂、钴、镍资源分布集中,智利、刚果、澳大利亚占比最高,中国锂资源丰富,但钴、镍资源匮乏。   陈清泰分析称,中国锂资源虽然丰富,但禀赋不佳,利用率相对较低,而镍、钴资源匮乏,对外依存度较高,从长期来看存在着资源安全的风险。近年来,锂、钴等上游材料的价格迅速上涨,而车企因为购置补贴的退坡需要转移成本,这就使得双重的压力压到了电池企业的头上,一些企业已经开始出现经营困难的现象。   固态电池仍有瓶颈   目前国际主流企业主要电池类型基本为磷酸铁锂和三元锂电池,去年在中国这两种电池装机占比合计达到93.3%。北京汽车集团有限公司总经理张夕勇预测,未来十年,动力电仍将以三元电池为主,同时向高镍和新体系电池方向发展。   固态电池具有能量密度高、循环寿命长、安全性高等技术优势,成为下一代电池竞争的重点,目前中国的宁德时代、比亚迪,德国的奔驰、宝马,日本的丰田,韩国的三星SDI、现代等多个国家的企业都在该领域布局。   但固态电解质离子电导率、固/固界面相容性和稳定性等技术问题,以及生产制备成熟度还亟待加强,规模化、自动化的生产线还需要进一步研发,且需要降成本,目前处于行业积累期。   因此,张永伟分析,新一代电池在技术和成本方面具有一定的优势,锂硫、锂空气电池、钠离子、纳米电池等新电池研发层出不穷,并且在某些方面取得突破。这些研究基本处于实验阶段,距离产业化较远,在产业界也存在许多争议,但不可否认的是,这些电池有望打破当前动力电池的一些瓶颈。   宁波杉杉股份有限公司副总裁孙晓东表示,固态电池实际上是有两个层面的含义:一是在现有的锂离子电池正负极的材料体系下,把隔膜和电解液换成一个固态的介质。但这只是提高了安全性,对能量密度、成本可能不会有太大的改善。同时,这种方式的挑战非常大,因为固态电池的导电率、高低温的特性、成本等因素,可能都需要有相当长时间去磨合,而且这不是真正的本质的固态电池。   二是真正的固态电池应该是采用固态的电解质,使得正负极材料体系彻底更新,把锂离子三元的碳负极改成锂硫或者锂金属。目前第一层很多企业都在尝试,但这样的产品不是电动车行业需要的,要达到第二层至少还需要10年的时间。   纵观整个电池产业,动力电池依靠技术的进步实现了低成本,已经具备了很强的竞争力。但下一代电池是什么,确实存在着很大的竞争不确定性。张永伟表示:“目前电池行业还在于创新和研发阶段,但在这个领域,最大的问题不仅是企业投入不够,基础性创新缺乏。基础研究的机构往往不太关心市场的需求,产、学、研链条不能打通,没有承担起国家赋予的公共技术基础研究的重任,这或许是未来该产业创新乏力的一个隐忧。”
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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-07-16
    •  5月4日,杭州九堡客运中心门口,一辆正在行驶的面包车发生自燃。5月8日,郑州日产帅客EV在东莞某充电站自燃,致使多车严重损毁。6月5日,一辆江铃易至EX5在湖州长兴某小区发生自燃。6月22日,一辆欧拉iQ在保定市瑞兴路的国家电网充电站内自燃。6月28日,杭州余杭盛奥西溪铭座地下车库发生一起新能源汽车自燃事故……   “5月以来,电动汽车安全事故频发、‘火烧连营’。”原中国北方车辆研究所动力电池实验室主任、中国汽车动力电池产业创新联盟副秘书长王子冬坦言,目前电动汽车自燃事故还不能“归零”,给新能源汽车推广带来巨大的负面影响。   在近日举行的“动力电池安全设计及防护技术线上研讨会”上,王子冬反复强调,对电动汽车安全要有正确认识,在目前电池起火原因尚不明晰的情况下,动力电池能量密度的提升要与安全性寻求平衡优化。   电池自燃的根本原因是内部短路   “‘高温炎热的夏天更容易起火’的说法并不正确。”王子冬指出,从各个月份的电动汽车起火事件分布情况来看,除了12月的数量略少之外,其余各个月份都有超过4起严重起火事故,其中5、6月和11月是两个高峰期,这表明电动汽车起火事故在全气候条件下均易发生。   王子冬认为,电动汽车安全事故主要由动力电池热失控引起,但热失控仅是结果,其原因错综复杂。“现在电动汽车普遍配置了热管理系统,电池不太容易因为单一的热滥用而触发热失控。”他表示,解决电池安全问题,还要从更为复杂的角度对其诱因进行全面分析。   “说起热失控,一般都指向了电芯的热失控。”王子冬强调,这一观点很片面,电芯热失控只是其中的一部分,还有其他原因引起的热失控,比如,电池包内部的低压线束起火,局部高电阻导致高压线路升温、不合理的充电和维护方法等,“在电池包内没有相应的防护措施时,火势难以控制,形成热失控和蔓延,最终导致电芯起火,从而产生电芯热失控的假象。”   “车企在理解热失控时也经常感到困惑,因为当前电池热失控的定义或研究都是以电芯来设计的。”王子冬坦言,以电芯先入为主的思路,不利于实际工作中开展热失控的防护。   厘清电池包的热失控要回归本源,即“热”上。王子冬进一步说明,电池包热源来自多个方面:周围外界物体的热;短路或线路中高温电阻、电芯内阻电流作用产生热;过充或是低电压、大电流产生电化学反应产生热;正负极材料与氧气产生化学反应,以及气体膨胀都会产生热。   在王子冬看来,引发电池自燃的根本原因是内部短路。“加工制备时混入的金属杂质或产生的极片毛刺、电滥用、电解液浸泡不均等引发的局部析锂,都有可能划破电池隔膜,引发微小的内部短路。”王子冬称,这种微小的短路并不易被察觉会在电池内部持续产热,当热量堆积到一定程度就会引发电池热失控,致使电池起火。   电池能量密度与安全性成反比   王子冬进一步表示,近几年电动汽车安全事故呈现出一定趋势。“电动客车起火频次和占比逐年减少,而乘用车起火频次和占比总体上在上升,三元电池的使用是一个原因。”王子冬坦言,盲目追求高能量密度是问题的焦点,如何在高能量密度与提高安全性之间取得平衡,是当前业内亟待解决的一大难题。   各动力电池企业在不遗余力地创新。2019年9月,宁德时代推出了全新的CTP方案,改变了原有的电芯—模组—电池包结构,电芯直接集成到电池包。据了解,北汽EU5成为首款搭载该电池的车型,该电池包体积利用率提高了15%—20%,能量密度进一步提升至200Wh/kg,大幅降低了动力电池的制造成本。特斯拉、蜂巢能源均对CTP技术进行了布局。   比亚迪今年也重磅推出了刀片电池,设计上取消了纵梁、横梁,以电芯作为电池包结构的支撑件,使其体积能量密度从普通电池包的251Wh/L提高至332Wh/L。   “上述新技术没有隔离墙,这就要求电池确保万无一失,但目前还做不到。”王子冬直言,目前还没有真正弄清楚锂电池的着火原因、是什么环节出了问题、什么场景会出问题。“为了降低成本、多带电池,直接取消模组的做法值得商榷,有相当大的风险。”在他看来,理论上,电池能量密度与安全性成反比。动力锂电池成组时最关键、最核心的问题是安全和使用寿命,其影响因素除了电池自身工艺性和产品质量外,充电的安全性和热管理技术也至关重要,如果没有完善这两项技术,电池的安全性和长寿命循环就无法得到保证。   为应对动力电池自燃事故的发生,很多企业都在研究BMS(电池管理系统)。“如果电池受到外部影响,目前的BMS基本能够起到防护作用,但如果是电池内部出现问题,一般的BMS就不太管用了。”王子冬建议,BMS研究的重点应该在电芯的检测和事故前的监控上,BMS不能是“事后诸葛亮”。   电池设计要从整体系统优化   值得注意的是,目前有相当一部分安全事故集中在充电环节。王子冬指出,正常充电过程中引发的电池起火事故正逐年上升,其中有充电设备故障引起的,也有电池过充引发的。实际上,电动汽车在停止状态下也会自燃,这对电池安全管理提出了更高要求,不仅在运行过程中,在断电状态下也要对电池进行有效监管和防护。“断电后的监护,目前还是盲点。”   王子冬进一步表示,随着电动汽车保有量的上升和充电桩建设速度的加快,对充电方法和充电设施进行更加规范化的管理,对充电电池组进行有效的状态检测,十分重要。   目前,行业正致力于大功率直流快充的技术攻坚。王子冬提醒,快充对动力电池的要求很高,与之相伴的是,如何减小电池组在快充过程中单体电池之间的差异问题。“要实现快充,就必须在其它方面做出牺牲。”王子冬解释,快充会在锂离子电池内部产生大量热量,过高的温度会破坏负极材料的粘接性能,从而导致负极活性物质的脱离,使电池可逆容量快速衰降、电池性能劣化,严重影响动力电池的使用寿命。   王子冬表示,行业已经在减小电池级片的厚度、改变电池结构,以及选择更合适快充的材料等方面进行调整。不过,这些都将增加动力电池的生产成本,电池设计需从整体角度进行系统优化。