电动汽车动力电池的发展趋势与安全管理

全国政协常委、国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长、清华大学教授、“中国电动汽车百人会”执行副理事长欧阳明高做了题为《车用动力电池发展趋势安全管理》的专题报告，以下是发言实录：

今天主要跟大家探讨电动汽车动力电池发展趋势与安全管理。2015年1到8月份，我国新能源汽车已经到12.35万辆，尤其是纯电动车增长得非常快。我们不能光看这个产业的规模，产业发展持续的动力还是技术，如果说纯电动车的技术，我想核心大家肯定共识就是电池技术，所以我今天想介绍一下电池技术相关的。

国电动汽车电池技术的产业基础，应该说总体上还是不错的，我们从“十五”科技部电动汽车重点专项起步开始推动中国电动汽车动力电池的研发，当时主要是镍氢电池和锰酸锂电池；到“十一五”的时候，主要是磷酸铁锂电池，应该说磷酸铁锂电池的发展支撑了我们“十二五”电动汽车的发展；到“十二五”，我们重点的研发转向了三元锂离子电池，估计今年我们三元锂离子电池的比能量会达到180Wh/kg，现在我们正在起动“十三五”。“十三五”将会在此基础上进一步升级，我们估计在今后5到10年锂离子电池将会达到它的技术极限，我这里显示的是在中国目前的一些总体的产业情况和电池性能和成本的一些发展情况，我们预计它是在逐步的上升，这是系统比能量。预计到2020年会超过200Wh/kg，比现在估计要提高一倍。

跟国际相比，我们也存在很多问题，包括我们先进材料和机理方面的研究比较差，电池结构设计的技术还不太先进。另外制造的自动化程度也比较低，精工艺的开发能力也比较弱，还有一个电池系统涉及技术比较落后，因为以前大家都觉得电池系统没什么技术，就是把单体给组合起来就完了，现在才开始知道，电池系统也是很复杂的技术。由于这些问题，我们高端材料供给还不太足，一致性、良品率、安全性、可靠性、产品性能还不能完全满足市场的要求，企业创新能力总体还不强，优势产能不足，而且面临韩国等国外电池企业的挑战，这是当前我们电池面临的一些问题。

从全球看，电池技术尤其是锂离子电池技术还在不断进步，我们预计在今后5到10年，也就是到2025年，锂离子电池将会竭尽它的性能极限，到达大约350 Wh/kg-400 Wh/kg左右。我们下面会做研究来探讨这个极限究竟是多少，至少我们现在认为到达300Wh/kg-350 Wh/kg应该是没有问题的，这是单体。真正到系统，可能在250Wh/kg，也就是到2020年至少可以达到200Wh/kg左右，应该说比现在的大约提高一倍。这是美国能源部对锂离子电池发展现状和趋势的一个判断，我们也基本是认同这个判断的。

当然，为了达到这个系统，单体材料层面当然就要达到80Wh/kg左右。日本应该说也是有类似的看法，在2020年，达到300 Wh/kg，这是他们的一个基本判断。这种电池将会采用硅碳复合的负极，高电压的电解质，以及富锂的固溶体或者高镍的三元材料，这个材料体系目前应该说从基础层面基本上是清楚的，关键是如何把它开发出来，也就是说我们现在其实300瓦时每公斤也可以做到，但是寿命非常短，尤其负极的硅这种材料充电的时候膨胀比非常大，容易迅速衰减，所以它现在提高寿命，如何来解决硅负极的相关问题，这是目前技术攻关的一个重点。

根据国外的趋势，中国2020年的一个基本的发展目标，高比能量电池目标也是要达到300Wh/kg，寿命1500次，成本0.8元，系统比能量大约210Wh/kg，这是按照单体的70%，比现在约提高一倍。如果用这样的电池，我们用相同重量也就是200kg的电池的话，我们现在的性价比比较好的电动车续驶里程可以到300公里以上。现在的纯电动车的成本，主要增加的是电池，如果能把电机这些驱动系统跟传统的内燃机相比的话，大约还可以节省出5000到1万块钱用于电池，也就是说我们现在比燃油车贵的部分主要是电池，当然电机比发动机要便宜一些，但是也便宜不了太多，可以匀出5000到1万块钱给电池，其余多的钱就是增加的。按照我们购置和使用综合考虑的话，在2020年之后，小型电动车，比如说城市代步用的200到250公里左右，应该可以跟燃油车竞争。这是我们电池的技术路线图。

在迈向高比能量锂离子电池的过程中，大家可以看到我们电池的成本下来了，比能量提高了，续驶里程上升了，我们电动车可以竞争了，但是这中间有一个重要的问题是，在这个过程中，安全性将会变得更加突出。大家可以看一下，这是我引自宝马的一张图，能量密度，比方说这是现在的，2018年的，2020年的，2025年的，在持续上升，但是我们的安全性并没有大的变化，安全性面临的挑战，越往高比能量走挑战越大。所以我们必须下面对安全性要受到进一步的高度的重视，也就是说我们性能提高了，但是耐久性和安全性的问题将更加突出，这是我们面临的三个问题，安全性、耐久性、动力性，最核心的是安全性问题。

下面我说一说动力电池的安全性是一个什么样的问题。

我们先看一下，我们安全性的问题概括起来叫动力电池热失控，也就是到达一定的电池受热到一定温度之后，它就不可控了，温度直线上升，超过500℃、1000℃，然后就会燃烧爆炸。为什么会有这个问题，首先过热会引起这个问题，温度上来，最终都是温度上来导致的，它会触发电池里的副反应，随着温度的升高，我们电池里会产生一系列的副反应，这些副反应都会放热，导致热的失控。另外一种原因，电触发的，比方外部短路、内部短路、过充，这些都会导致产热，然后形成热，然后产生热失控。还有一个原因就是碰撞，比方说车辆的碰撞、挤压。挤压之后就像一个针刺了电池一样，然后短路，短路这是一个电的触发，然后再产热，然后热再引起热失控，这是大概它的几个诱因。这是热失控的过程，随着温度的升高，会触发不同的副反应，比如说石墨负极与电解液的反应、电解质的分解、大规模的内短路等，导致最后电解液燃烧，最后热失控，放热速率会非常快。一个热失控之后会导致它在一个电池里面的传播，比方热失控在第一个中间过来之后，它就会随着在整个电池组里面迅速扩散。

我们看几种不同的热失控，第一种是过热的热失控触发，比如说插电式的普瑞斯。我们来看那个热失控的过程，这就是个三元电池的热失控过程，我们可以看出它分成几个阶段，随着不同时间、不同的温度，底下是它不同的热失控的反应，可以看出温度逐步上升，到这个时候温度就直接往上窜上，电压直线下降。为了研究热失控，我们需要采用一种量热仪，这就是一个加速的量热仪，动力电池各种复反应放热的过程都可以量出来，由此可以确定每一个副反应集合起来的温度的上升，也可以进行整个动力这个过程的一个模型的计算，由此我们可以在此基础上对这个温度进行一个预测和判断。这是过热的原因和解决办法，包括电池的选型和热设计的不合理，或者外短路导致电池的温度升高，或者是电缆的接头松动等，解决办法两个方面，一个是电池的设计，一个是电池的管理。

比如说我们可以开发来防止热失控的材料，阻断热失控的反应，比如说这就是一种新的材料，温度到这个之后就平了，这是从材料设计的角度。另外一个，电池管理的角度，我们可以来预测不同的温度范围，来定义不同的安全等级。比如说在不同的阶段，我们可以算出它的温度是多少，来判断定义不同的安全等级，来进行分级报警，这是第一个问题。第二个问题，过充电触发的热失控，比如说前一阶段出现的电动巴士的燃烧就是这个原因，这个原因最后发现是电池管理系统本身对过充电的电池管理系统的电路没有功能安全，导致电池的BMS已经失控，然后还在充电导致的。