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梳理演进史 展望新十年 动力电池新技术革命潜滋暗长

来源:中国汽车报网   作者:赵琼   2021/2/2   浏览16211次   

[摘要]过去10年,我国新能源汽车产业取得了长足发展,完成了从政策驱动向市场驱动的转变,在其背后则是整车核心零部件——动力电池性能的不断向上求索。


“从锰酸锂到磷酸铁锂和三元锂,动力电池行业从未停止技术创新的脚步。而今,动力电池的技术创新也正在揭开新的篇章,未来10年将是固态电池破壁的10年。”


对中国动力电池行业而言,已落下帷幕的2020年或许是一个节点。过去10年,我国新能源汽车产业取得了长足发展,完成了从政策驱动向市场驱动的转变,在其背后则是整车核心零部件——动力电池性能的不断向上求索。


“一代正极材料,一代动力电池”,从锰酸锂到磷酸铁锂和三元锂,动力电池行业从未停止技术创新的脚步。在新能源汽车产业进入新发展阶段的当下,动力电池的技术创新也正在揭开新的篇章。下一代动力电池,正在从根本的材料方面寻求突破。毫无疑问,未来10年将是动力电池发生根本性技术变革的10年。




锂电池是电动化中坚力量


石墨作为负极,过渡金属的氧化物材料作为正极,再加上正负极之间的液体电解液组成了锂离子电池。“过去是锂离子电池支撑了新能源汽车的发展。”中国科学院物理研究所研究员黄学杰在中国电动汽车百人会论坛(2021)上如此表示。新能源汽车产业发展至今,一代代锂离子电池成为了中坚力量。


作为“古老”的第一代正极材料,锰酸锂已逐步退出汽车的历史舞台。黄学杰介绍道,锰酸锂电池从首次被报道至今过去了三十多年,得益于锰酸锂的低成本、高安全和环境适应性,配装锰酸锂电池的日产聆风全球累计销量已突破50万辆。不过,由于第一代动力电池的比能量较低,后来便逐渐被磷酸铁锂和三元锂电池所取代。现在,第一代动力电池仍旧在电动两轮车、电动三轮车上释放着自己的生命力。


在黄学杰看来,磷酸铁锂电池为中国新能源汽车产业的发展做出了重要贡献,之后也将为储能产业的发展做出重要贡献。磷酸铁锂电池虽在长寿命和高安全性方面优势明显,但同时也具备电压低、材料密度低、比能量低的不足。不过,近年来,磷酸铁锂电池的能量密度得到大幅提升。通过优化电池和电池组以及PACK设计,比亚迪配装磷酸铁锂电池的电动车型续驶里程可达600公里。今年年初,国轩高科发布了磷酸铁锂电池芯片,单体电池比能量可达210Wh/kg,2022年的目标是230Wh/kg。记者了解到,2020年,我国动力电池装机量累计为63.6GWh,磷酸铁锂电池装机量累计为24.4GWh,占总装机量的38.3%。


目前,占据动力电池主流技术路线的则是三元锂电池。三元锂电池由于高比能量的优势,受到高端乘用车型的青睐。目前头部企业已在生产、销售300Wh/kg的三元锂电池,车辆续驶里程可达700公里以上。不过,三元锂电池的安全性问题也让其发展遇到了一定的瓶颈。  材料和结构创新从未停止


随着新能源汽车产业的发展,动力电池在材料和结构方面的创新也在不断推进。为了在能量密度、安全、寿命、快充等方面寻找平衡,行业一直在针对第三代液态锂离子电池的材料和结构进行创新。中国科学院院士欧阳明高指出,动力电池系统结构创新,辅以单体材料改进,成为近年来中国动力电池技术创新的鲜明特征。


对于正极材料来讲,目前三元锂电池在往“减钴加镍”的方向发展。黄学杰认为,今后三元锂电池提升能量密度的大方向不变,前提是要减少钴的比例和用量,逐渐摆脱对贵金属的依赖。对于磷酸铁锂来讲,正极的发展方向则是尖晶石镍锰酸锂。磷酸铁锂的正极材料得到改变后,最直观的好处就是可将电压从平均3.4V提升到平均3.7V。据悉,目前磷酸铁锂动力电池的性价比最优,单体电池成本已下降至低于0.5元/Wh。在规模扩大之后,磷酸铁锂电池的成本还能够进一步降低。


记者还了解到,在三元锂电池能量密度不断提升的同时,要从现有的重量比能量(Wh/kg),进一步考量体积比能量(Wh/L),以满足在有限空间内布置电池的实际需求。“电动汽车发展到今天,对于乘用车和商用车来讲,更重要的不是减重,而是缩小电池体积。”黄学杰表示,行业更应关注动力电池的体积能量密度,而非比能量密度。


随着材料的改变,动力电池行业也逐渐出现了很多“热词”。针对“无钴”的争议,黄学杰指出,无钴正极有两层意思,一是指磷酸铁锂、镍锰酸锂这类完全无钴的材料,一是说钴含量低于1%。此前,广汽集团也发布公告解释了新亮相的两项动力电池技术。石墨烯基超级快充电池与长续航硅负极电池是两种不同的技术,分别解决“充电速度慢”、“续驶里程短”这两个动力电池应用中的不同“痛点”。其中,石墨烯基超级快充电池已按计划进入实车测试阶段,预计年内首次配装现有AION V车型;硅负极电池也已按计划进入实车测试阶段,预计年内首次配装现有AION LX车型。


如今,第三代传统液态锂电池也已在动力电池市场应用整整10年,但其热失控、低温衰减等问题却始终未被完全解决,安全与能量密度相互矛盾。2020年,为推动新能源汽车快速发展,CTP技术、刀片电池、果冻电池等最新技术陆续发布,动力电池已然进入新的技术变革周期。


将迎固态电池破壁的10年


新一代电池的研究方向,正在从最根本的材料方面做出突破,逐渐过渡到全固态电池。中国工程院院士陈立泉表示,固态锂电池的负极材料可以是纳米硅和石墨的复合负极,正极可以是高电压锰酸锂、也可以是富锂锰基材料或不含锂的正极材料,电解质是固体电解质,比能量可以达到300~450Wh/kg。


据介绍,固态电池带来的革命,将不仅是电解质材料的升级,还涉及动力电池的材料、制造方法及系统结构。电解质材料从有机可燃的液态(电解液)到无机不可燃的固态,不仅适用于锂离子电池,同样还能在钠离子电池、锂空气电池(以空气中的氧气作为正极反应物,结构类似于干电池)等产品中应用。


最近,蔚来汽车发布了150Wh的固态电池,在行业内引起了轩然大波。记者了解到,国内关于固态电池的研究一直在进行中。陈立泉提到,中科院物理研究所自1976年起就开始研究固体电解质材料,并在2016年成立了卫蓝新能源公司,2018年比能量达到300Wh/kg的固态电池进行了样车试验,现在固态电池产品已供给无人机使用。


其实,关于固态电池核心材料,现在预锂化需要的锂箔和涂固体电解质粉料的隔膜都已实现产业化。日前,宁德时代公开了“一种固态电解质的制备方法”、“一种硫化物固态电解质片及其制备方法”两种固态电池相关专利。比亚迪也公布了“一种正极材料及其制备方法、一种固态锂电池”、“一种锂离子电池固态电解质及其制备方法和固态锂离子电池”两项专利。一场关于固态电池的技术和产业化竞争已拉开帷幕。


在陈立泉看来,再下一代动力电池就是远期的锂硫电池或锂空气电池。黄学杰认为,液态的锂硫电池有最高的比能量,未来10年预计也会走向固态化。“未来10年将是固态电池破壁的10年。”黄学杰表示,“到2030年,电动汽车在经济性上可以战胜燃油车,比能量500Wh/kg以上的固态电池将走向适用。”


来源:中国汽车报网/文:赵琼 


(责任编辑:葛良宵)


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