鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2019年09月23日
電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池的挑戰(zhàn)及趨勢(shì)
補(bǔ)貼逐漸退出后，技術(shù)的決策權(quán)將回到企業(yè)，市場(chǎng)則會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行選擇。
文章開(kāi)始前，先問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：我們?yōu)槭裁匆ヌ岣唠姵啬芰棵芏龋看鸢钙鋵?shí)很簡(jiǎn)單：焦慮，準(zhǔn)確的講是里程焦慮。我們希望通過(guò)能量密度的提升來(lái)獲得更高的續(xù)航里程。
在國(guó)家政策的扶持下，我國(guó)動(dòng)力電池取得了很大的進(jìn)步，關(guān)鍵性能指標(biāo)提高、成本下降，電池成組、BMS（電池管理系統(tǒng)）技術(shù)取得了一定的進(jìn)步。按照科技部部長(zhǎng)萬(wàn)鋼給出的數(shù)據(jù)，目前純電動(dòng)乘用車(chē)產(chǎn)品的續(xù)駛里程高于300公里的比例達(dá)到81%，系統(tǒng)能量密度140Wh/kg以上的產(chǎn)品已經(jīng)成為主流，單體能量密度發(fā)展更快，基本上超過(guò)250Wh/kg，有些已經(jīng)達(dá)到了300Wh/kg的預(yù)定目標(biāo)。
但是在這樣的成績(jī)的背后仍存在許多疑問(wèn)：目前鋰電技術(shù)存在哪些問(wèn)題？未來(lái)動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)是什么？高比能材料研究進(jìn)展如何？
電池安全問(wèn)題
「鋰電池具有成為動(dòng)力電池主流技術(shù)的潛質(zhì)，但瓶頸是高比能量動(dòng)力電池的安全性」。在今年的百人會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高一開(kāi)場(chǎng)就直奔主題。
此前，國(guó)家補(bǔ)貼門(mén)檻提高，三元鋰逐漸取代磷酸鐵鋰成為主流，電池能量密度以及整車(chē)?yán)m(xù)航里程得到很大的提升，但是在這種增幅背后卻隱藏著危險(xiǎn)——熱失控。
首先簡(jiǎn)單了解一下什么是熱失控（主要是高溫?zé)崾Э兀簞?dòng)力電池在工作的時(shí)候會(huì)發(fā)熱，正常情況下可控，但是在電池溫度過(guò)高或充電電壓過(guò)高時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)接連發(fā)生，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池?zé)崾Э兀l(fā)生爆炸or燃燒。
造成熱失控的原因很多，主要從兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)：內(nèi)因和外因。
內(nèi)因：本身材料、制造工藝會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生影響，使單體電池狀態(tài)（SOC等）存在差異、電池使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，存在析鋰、隔膜融化等現(xiàn)象造成內(nèi)短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控；外因就比較多，過(guò)充過(guò)放、車(chē)輛使用老化可靠性降低、充電不規(guī)范、密封不好、碰撞……
（圖片來(lái)自@42號(hào)車(chē)庫(kù)）
為了讓電池可以穩(wěn)定工作，需要對(duì)原材料以及制造工藝進(jìn)行品質(zhì)控制，從內(nèi)部保持生產(chǎn)的一致性；但即便如此也無(wú)法完全保證，這就需要BMS（電池管理系統(tǒng)）從外部來(lái)控制電池組的溫度，以便讓電池發(fā)揮最佳效率。
現(xiàn)在的電動(dòng)車(chē)為追求高能量密度高續(xù)航，將電池中的隔膜厚度進(jìn)行削減，給電池安全造成了一定的安全隱患，很容易造成熱失控，除此之外，國(guó)家補(bǔ)貼政策的快速調(diào)整與動(dòng)力電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法得到充分驗(yàn)證，進(jìn)而產(chǎn)生安全隱患。
如何在提高電池能量密度的同時(shí)保證電池安全，是當(dāng)下需要解決的問(wèn)題。
未來(lái)電池的發(fā)展方向
除了要著眼于現(xiàn)在，從業(yè)者的目光還是要放的長(zhǎng)遠(yuǎn)一些。
「一個(gè)行業(yè)共識(shí)是，傳統(tǒng)液態(tài)介質(zhì)鋰電池的能量密度不可能大幅度提升，未來(lái)3-5年，三元鋰電池會(huì)達(dá)到技術(shù)的瓶頸」。這是天際汽車(chē)董事長(zhǎng)兼CEO張海亮在百人會(huì)上分享的觀點(diǎn)。
在這種情況下，哪種形式的電池又會(huì)是研究主流呢？
固態(tài)電池？
固態(tài)電池其實(shí)并不算一種完全的技術(shù)革新，只是將現(xiàn)有鋰電池中的隔膜或電解液用可傳導(dǎo)鋰離子的固態(tài)電解質(zhì)替代，結(jié)構(gòu)上稍有差異，但工作原理幾乎一致，相對(duì)而言，固態(tài)電池要比傳統(tǒng)鋰電池安全一些，且能量密度較高。
按照歐陽(yáng)明高給出的展望，電池正極發(fā)展方向是減鈷到無(wú)鈷，負(fù)極將是加硅，硅的含量將逐步提升，甚至是全硅。電解質(zhì)要減少有機(jī)溶劑，逐步提高鋰鹽的濃度，未來(lái)可能要開(kāi)發(fā)全固態(tài)電解質(zhì)，但是全固態(tài)電解質(zhì)目前還有很多技術(shù)瓶頸需要克服，大規(guī)模商業(yè)化估計(jì)在2025-2030年（以后）。
免管理電池（MFB）是終極解決方案？
魚(yú)與熊掌不可兼得。電池材料在反應(yīng)活性和穩(wěn)定性上存在一個(gè)固有矛盾，活性大性能好衰減也快，穩(wěn)定性好的活性較差。「我們做電池的科學(xué)家跟工程師，基本上每天是在玩折中的游戲。」賓夕法尼亞州立大學(xué)教授王朝陽(yáng)這樣說(shuō)道。
（圖片來(lái)自@42號(hào)車(chē)庫(kù)）
在他看來(lái)，既然現(xiàn)有材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)我們?cè)诜磻?yīng)活性和穩(wěn)定性上的要求，那就應(yīng)該去建立新的電池體系：第一步將材料鈍化，增加電池內(nèi)阻，保證電池安全，通過(guò)熱刺激方式迅速調(diào)制電化學(xué)動(dòng)力特性，讓電池輸出高功率；第二步，在原有電池結(jié)構(gòu)中加入一個(gè)鎳片（厚度僅5微米），連通正負(fù)極形成回路，可以使電池迅速升溫。有多快呢？每秒2-5度，從25度到60度，只需要7秒的時(shí)間。王朝陽(yáng)說(shuō)這個(gè)電池的熱管理很簡(jiǎn)單，將來(lái)甚至不需要主動(dòng)熱管理，自然對(duì)流就可以。
其實(shí)這并不是最新技術(shù)，早在兩年前王朝陽(yáng)就將其發(fā)表在《自然》期刊上。就在去年，搭載該技術(shù)的車(chē)子已經(jīng)進(jìn)行過(guò)一次實(shí)驗(yàn)，近期將會(huì)去做第二次實(shí)驗(yàn)。
高容量富鋰正極材料？
高能量密度動(dòng)力電池如果要達(dá)到300Wh/kg，正極容量就要達(dá)到200mAh/g，如果能量密度達(dá)到400Wh/kg，正極材料就要超過(guò)250mAh/g，如果考慮到密度，可能要達(dá)到270mAh/g以上。已經(jīng)商業(yè)化的正極材料如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等，他們的比能量難以滿(mǎn)足400Wh/kg鋰離子動(dòng)力電池能量的密度要求。計(jì)算表明，要構(gòu)筑比能量達(dá)到400Wh/kg的鋰離子電池，采用高比容量富鋰氧化物正極材料和硅負(fù)極是可行的技術(shù)路線。
這是北京大學(xué)教授夏定國(guó)給出的觀點(diǎn)。
去年11月，夏定國(guó)團(tuán)隊(duì)制備出一種O2構(gòu)型的錳基富鋰動(dòng)力電池正極材料，放電比容量達(dá)到400mAh/g以上（比能量密度1380Wh/kg以上）。
在研發(fā)初期，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)這種材料有充放電效率較低、倍率性能不夠好、循環(huán)穩(wěn)定性較差、充放電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的電壓衰減等問(wèn)題。在后期，夏定國(guó)團(tuán)隊(duì)通過(guò)表面修飾、電子結(jié)構(gòu)調(diào)整等方式進(jìn)行過(guò)電池優(yōu)化，提高了材料的穩(wěn)定性。
但是材料本身還存在電壓滯后等問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究實(shí)驗(yàn)。也就是說(shuō)，這種材料從實(shí)驗(yàn)室到真正走入現(xiàn)實(shí)還有比較長(zhǎng)的一段路要走。
小結(jié)一下
總的來(lái)說(shuō)，目前動(dòng)力電池存在的最主要問(wèn)題是，隨著能量密度的提高，熱失控幾率呈上升趨勢(shì)。從整個(gè)發(fā)展規(guī)劃來(lái)看，動(dòng)力電池發(fā)展路線將會(huì)是這樣：正極減鈷到無(wú)鈷、負(fù)極加硅、電解質(zhì)減有機(jī)溶劑，逐步向全固態(tài)的方向發(fā)展。在補(bǔ)貼逐漸退出，國(guó)家逐步取消對(duì)續(xù)駛里程、能量密度等細(xì)節(jié)要求之后，技術(shù)的決策權(quán)將回到企業(yè)，市場(chǎng)則會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行選擇。
文章開(kāi)始前，先問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：我們?yōu)槭裁匆ヌ岣唠姵啬芰棵芏龋看鸢钙鋵?shí)很簡(jiǎn)單：焦慮，準(zhǔn)確的講是里程焦慮。我們希望通過(guò)能量密度的提升來(lái)獲得更高的續(xù)航里程。
在國(guó)家政策的扶持下，我國(guó)動(dòng)力電池取得了很大的進(jìn)步，關(guān)鍵性能指標(biāo)提高、成本下降，電池成組、BMS（電池管理系統(tǒng)）技術(shù)取得了一定的進(jìn)步。按照科技部部長(zhǎng)萬(wàn)鋼給出的數(shù)據(jù)，目前純電動(dòng)乘用車(chē)產(chǎn)品的續(xù)駛里程高于300公里的比例達(dá)到81%，系統(tǒng)能量密度140Wh/kg以上的產(chǎn)品已經(jīng)成為主流，單體能量密度發(fā)展更快，基本上超過(guò)250Wh/kg，有些已經(jīng)達(dá)到了300Wh/kg的預(yù)定目標(biāo)。
但是在這樣的成績(jī)的背后仍存在許多疑問(wèn)：目前鋰電技術(shù)存在哪些問(wèn)題？未來(lái)動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)是什么？高比能材料研究進(jìn)展如何？
電池安全問(wèn)題
「鋰電池具有成為動(dòng)力電池主流技術(shù)的潛質(zhì)，但瓶頸是高比能量動(dòng)力電池的安全性」。在今年的百人會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高一開(kāi)場(chǎng)就直奔主題。
此前，國(guó)家補(bǔ)貼門(mén)檻提高，三元鋰逐漸取代磷酸鐵鋰成為主流，電池能量密度以及整車(chē)?yán)m(xù)航里程得到很大的提升，但是在這種增幅背后卻隱藏著危險(xiǎn)——熱失控。
首先簡(jiǎn)單了解一下什么是熱失控（主要是高溫?zé)崾Э兀簞?dòng)力電池在工作的時(shí)候會(huì)發(fā)熱，正常情況下可控，但是在電池溫度過(guò)高或充電電壓過(guò)高時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)接連發(fā)生，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池?zé)崾Э兀l(fā)生爆炸or燃燒。
造成熱失控的原因很多，主要從兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)：內(nèi)因和外因。
內(nèi)因：本身材料、制造工藝會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生影響，使單體電池狀態(tài)（SOC等）存在差異、電池使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，存在析鋰、隔膜融化等現(xiàn)象造成內(nèi)短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控；外因就比較多，過(guò)充過(guò)放、車(chē)輛使用老化可靠性降低、充電不規(guī)范、密封不好、碰撞……
（圖片來(lái)自@42號(hào)車(chē)庫(kù)）
為了讓電池可以穩(wěn)定工作，需要對(duì)原材料以及制造工藝進(jìn)行品質(zhì)控制，從內(nèi)部保持生產(chǎn)的一致性；但即便如此也無(wú)法完全保證，這就需要BMS（電池管理系統(tǒng)）從外部來(lái)控制電池組的溫度，以便讓電池發(fā)揮最佳效率。
現(xiàn)在的電動(dòng)車(chē)為追求高能量密度高續(xù)航，將電池中的隔膜厚度進(jìn)行削減，給電池安全造成了一定的安全隱患，很容易造成熱失控，除此之外，國(guó)家補(bǔ)貼政策的快速調(diào)整與動(dòng)力電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法得到充分驗(yàn)證，進(jìn)而產(chǎn)生安全隱患。
如何在提高電池能量密度的同時(shí)保證電池安全，是當(dāng)下需要解決的問(wèn)題。
未來(lái)電池的發(fā)展方向
除了要著眼于現(xiàn)在，從業(yè)者的目光還是要放的長(zhǎng)遠(yuǎn)一些。
「一個(gè)行業(yè)共識(shí)是，傳統(tǒng)液態(tài)介質(zhì)鋰電池的能量密度不可能大幅度提升，未來(lái)3-5年，三元鋰電池會(huì)達(dá)到技術(shù)的瓶頸」。這是天際汽車(chē)董事長(zhǎng)兼CEO張海亮在百人會(huì)上分享的觀點(diǎn)。
在這種情況下，哪種形式的電池又會(huì)是研究主流呢？
固態(tài)電池？
固態(tài)電池其實(shí)并不算一種完全的技術(shù)革新，只是將現(xiàn)有鋰電池中的隔膜或電解液用可傳導(dǎo)鋰離子的固態(tài)電解質(zhì)替代，結(jié)構(gòu)上稍有差異，但工作原理幾乎一致，相對(duì)而言，固態(tài)電池要比傳統(tǒng)鋰電池安全一些，且能量密度較高。
按照歐陽(yáng)明高給出的展望，電池正極發(fā)展方向是減鈷到無(wú)鈷，負(fù)極將是加硅，硅的含量將逐步提升，甚至是全硅。電解質(zhì)要減少有機(jī)溶劑，逐步提高鋰鹽的濃度，未來(lái)可能要開(kāi)發(fā)全固態(tài)電解質(zhì)，但是全固態(tài)電解質(zhì)目前還有很多技術(shù)瓶頸需要克服，大規(guī)模商業(yè)化估計(jì)在2025-2030年（以后）。
免管理電池（MFB）是終極解決方案？
魚(yú)與熊掌不可兼得。電池材料在反應(yīng)活性和穩(wěn)定性上存在一個(gè)固有矛盾，活性大性能好衰減也快，穩(wěn)定性好的活性較差。「我們做電池的科學(xué)家跟工程師，基本上每天是在玩折中的游戲。」賓夕法尼亞州立大學(xué)教授王朝陽(yáng)這樣說(shuō)道。
（圖片來(lái)自@42號(hào)車(chē)庫(kù)）
在他看來(lái)，既然現(xiàn)有材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)我們?cè)诜磻?yīng)活性和穩(wěn)定性上的要求，那就應(yīng)該去建立新的電池體系：第一步將材料鈍化，增加電池內(nèi)阻，保證電池安全，通過(guò)熱刺激方式迅速調(diào)制電化學(xué)動(dòng)力特性，讓電池輸出高功率；第二步，在原有電池結(jié)構(gòu)中加入一個(gè)鎳片（厚度僅5微米），連通正負(fù)極形成回路，可以使電池迅速升溫。有多快呢？每秒2-5度，從25度到60度，只需要7秒的時(shí)間。王朝陽(yáng)說(shuō)這個(gè)電池的熱管理很簡(jiǎn)單，將來(lái)甚至不需要主動(dòng)熱管理，自然對(duì)流就可以。
其實(shí)這并不是最新技術(shù)，早在兩年前王朝陽(yáng)就將其發(fā)表在《自然》期刊上。就在去年，搭載該技術(shù)的車(chē)子已經(jīng)進(jìn)行過(guò)一次實(shí)驗(yàn)，近期將會(huì)去做第二次實(shí)驗(yàn)。
高容量富鋰正極材料？
高能量密度動(dòng)力電池如果要達(dá)到300Wh/kg，正極容量就要達(dá)到200mAh/g，如果能量密度達(dá)到400Wh/kg，正極材料就要超過(guò)250mAh/g，如果考慮到密度，可能要達(dá)到270mAh/g以上。已經(jīng)商業(yè)化的正極材料如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等，他們的比能量難以滿(mǎn)足400Wh/kg鋰離子動(dòng)力電池能量的密度要求。計(jì)算表明，要構(gòu)筑比能量達(dá)到400Wh/kg的鋰離子電池，采用高比容量富鋰氧化物正極材料和硅負(fù)極是可行的技術(shù)路線。
這是北京大學(xué)教授夏定國(guó)給出的觀點(diǎn)。
去年11月，夏定國(guó)團(tuán)隊(duì)制備出一種O2構(gòu)型的錳基富鋰動(dòng)力電池正極材料，放電比容量達(dá)到400mAh/g以上（比能量密度1380Wh/kg以上）。
在研發(fā)初期，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)這種材料有充放電效率較低、倍率性能不夠好、循環(huán)穩(wěn)定性較差、充放電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的電壓衰減等問(wèn)題。在后期，夏定國(guó)團(tuán)隊(duì)通過(guò)表面修飾、電子結(jié)構(gòu)調(diào)整等方式進(jìn)行過(guò)電池優(yōu)化，提高了材料的穩(wěn)定性。
但是材料本身還存在電壓滯后等問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究實(shí)驗(yàn)。也就是說(shuō)，這種材料從實(shí)驗(yàn)室到真正走入現(xiàn)實(shí)還有比較長(zhǎng)的一段路要走。
小結(jié)一下
總的來(lái)說(shuō)，目前動(dòng)力電池存在的最主要問(wèn)題是，隨著能量密度的提高，熱失控幾率呈上升趨勢(shì)。從整個(gè)發(fā)展規(guī)劃來(lái)看，動(dòng)力電池發(fā)展路線將會(huì)是這樣：正極減鈷到無(wú)鈷、負(fù)極加硅、電解質(zhì)減有機(jī)溶劑，逐步向全固態(tài)的方向發(fā)展。在補(bǔ)貼逐漸退出，國(guó)家逐步取消對(duì)續(xù)駛里程、能量密度等細(xì)節(jié)要求之后，技術(shù)的決策權(quán)將回到企業(yè)，市場(chǎng)則會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行選擇。
