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发布时间:2019-10-09

肖成伟博士:车用动力电池发展现状及趋势

原创: 编辑部 锂电安全联盟 1周前

2019年9月25日,以“科技长三角 共享新未来”为主题的第二届长三角科技成果交易博览会在上海汽车会展中心开幕。活动旨在打造长三角成为创新技术策源地、创新要素集散地、创新成果转化地,扩大科技“朋友圈”,演绎创新“实力秀”。会上举办了2019电动汽车安全管理技术论坛。论坛上,国家863计划节能与新能源汽车重大专项总体专家组电池责任专家,博士、研究员肖成伟发表了主题演讲,以下为演讲实录:


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前面各位专家介绍了很多电池安全、整车安全,包括整车起火事故的介绍。其实,作为政府主管部门,无论是市场总局还是工信部,现在都制定了很多规章制度、措施,包括一些事故上报的制度来规范新能源汽车安全事故出现之后的处理流程。

我的感觉是,虽然大家现在看新能源汽车很火,出现一些安全问题,但是从发展的角度来看,这是必然会出现的一个情况,就是发展过程当中出现的一些问题。从长远来看,或者说从国家支持趋势来看,新能源汽车还是没有问题的,国家还会给予大力支持,现在出现的事故都是发展过程当中的一些问题,我个人还是持比较乐观的态度,这些问题通过在座的电池企业、整车企业,包括高校院所和这些测试机构的共同能力,我想安全问题会有很大的提升。可以保证今后电动汽车在应用过程当中的安全使用。

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我的报告还是比较泛的,比较宏观的内容比较多一些。原来讲过很多次,增加了一些内容,做了一些调整,把自己参与的情况和在座各位做一个简单介绍。

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首先是国内外层面的规划和发展现状和趋势,以及电池标准和产业化情况,大家可能会关心电池强标的问题,以及大家关注比较多的热失控和热扩散的问题,整车出现安全问题最终结果还是电池包出现了热失控和热扩散现象,电池包在整车使用过程当中问题没有解决好的情况下,有可能对整车安全性会产生比较大的影响。主要是归结到电池包热失控和热安全角度,但是原因很多,有可能是电池制造或者当中出现的问题,电池应用刚才当中出现的问题,我们的考核验证不充分等等这些原因造成的。

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前面不管怎么样,电动汽车还是一个发展趋势,这是国际能源署的预测,有两个情景,一个是激励政策情况下的新能源汽车的应用数量,以及到2030年的时候,电动汽车在里面占的市场比例达到了30%,都应该在1.2亿辆到2.2亿辆的范围。而中国的保有量已经超过三百万辆,今年大家预测会增加150万辆,我个人感觉有可能会实现,还是需要在座的整车企业和电池企业做比较大的努力。不管怎么说,电池还是大家关注的焦点,也是大家研究和产业化的焦点,电池这个方面也有比较大的要求,大家关注度比较高的是电池能量密度,再就是电池安全性,希望在使用过程当中有一个比较好的表现。以及循环寿命希望我们做到十年八年。当然我们也希望有比较好的充电倍率,做到3C甚至5C的充电倍率,在一个比较好的温度范围内使用,零下三十度到零上五十度,经济性的角度,希望成本做的和常规燃油车竞争。

前面提到了电池,在各类电动汽车里面都有一些应用,包括混合动力,插电式混合动力,纯电动。包括铅酸电池、锂离子电池等等都会有一些相应的应用领域。这里面大家关注的焦点和大家现在做产业化的焦点还是锂离子这样的技术方向。

在这个基础上,日、美、德等等这些发达国家,对于动力电池都做了比较好的国家层面的规划,涵盖新材料到电池系统集成,以及利用和测试标准等等。这些都会以项目的形式进行支持,里面也包括新体系支持,从长远的角度也会给予国家层面的支持。

中国从四个国家层面的规划,对动力电池的研究和产业化进行了一些设置,最主要是三个层面,2030年实现300W每公斤电池的产业和工作,并且在车上有比较大的应用。以及我们做新型的锂离子电池要做到400W每公斤,着眼于下一阶段的应用。到2035年我们做一些基础研究储备,做一些锂硫等新体系电池研究,我们设定的目标是在500或者700WH/KG的水平。同时在新能源汽车重点研发方向里面设置了六个方面的课题,从300WH/KG锂电池产业化做一些研究工作。同时在节能与新能源汽车技术发展路线图里面,我们专门有一块内容是车用动力电池技术发展路线图。

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这里面有两类电池,一类是纯电动车用的能源型电池,还有一类是插电式混合动力用的能量动力兼顾型电池,这两类电池设置指标改变针对乘用车领域,目前来看插电式混合动力用的能量动力兼顾型电池,基本上可以达到要求,能量电池目前还有相当大的技术挑战,设置的350WH/KG水平。

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同时正在修订技术发展路线图,我和中科院物理所来牵头做这个工作,这里面动力电池作为最为关键的内容之一,来进行修订,应用领域现在进行了拓展,原来是针对乘用车领域,现在是针对乘用车和商用车两个领域。

这是电池路线图的提纲,现在我们正在做相关的修订工作。

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里面设置了装机小组,从电池全产业链来设计的,包括材料、电池、系统集成、测试评价、生产装备、资源回收、梯级利用,把整个产业链的内容都涵盖到里面,包括刚才大家提到的相应的安全事故发生之后大家进行调研的一些各个企业的研究工作相应内容都可以在这里面做比较充分的体现。

我们也把海外的一些电池企业希望他们能够对中国动力电池路线图的修订提供一些支持,涵盖了乘用车和商用车两大领域,插电式、混合动力、纯电动都包括在内。

第二方面讲讲发展现状和趋势,从发展趋势来说,高比能电池是永恒的追求,目前来说,锂硫、锂空气从基础研究角度做了比较大的支持,从产业化角度目前来说现在以300WH/KG作为重点,采用的材料体系就是高镍的正极材料,622、811、NC、硅碳、单质硅或者氧化亚硅做匹配,我们做300WH/公斤的电池产业化工作。

对于现在已经在市场上实现规模化应用的,其实现在也是从市场上反馈出现问题,出现安全问题的基本上都涵盖了,第一类是磷酸铁锂,对于三元电池来说,现在市场上应用最多的是523正极材料和石墨匹配,能量密度大概230到240WH/KG。高镍主要是用于圆柱形电池里面,比如说NCA和硅碳的用在21700里面可以做到270—280WH/KG,也在纯电动乘用车领域有比较大的应用,里面有快充的,有三元材料的正极和石墨匹配,大概做到5C充电。这是电池在乘用车领域的应用情况,这是对插电式和混合动力的电池种类比例,比如说在插电式混合动力乘用车,就是插电混动乘用车领域,在这里面三元材料是百分之百,基本上都是以三元材料为主。纯电动乘用车里面,三元材料大概占了90%的市场份额。这其实和国家补贴政策密切相关。从能量密度角度来说基本上做到120WH/KG,现在很多企业都以140或者160WH/KG作为电池系统配置的要求。

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对于专用车领域,基本上是三元和磷酸铁锂两分天下,能量密度基本上还是以补贴作为主要驱动力,大概115WH/KG。

对于商用车领域插电式的,在这里面应该是以三元材料的为主,但是在这里面其实大家看还是锰酸锂比较多,但是实际上还是以三元材料为主,有可能和锰酸锂做混合,和石墨做这样一个匹配,用在插电式混合动力里面。

对于纯电动客车基本上还是以磷酸铁锂为主,能量密度135WH/KG以上,和补贴政策密切相关。

高比能三元材料,通过国家政策的支持,通过电池企业的努力,发展的是非常快的。最主要是应用在乘用车领域,能量密度大概在210到250WH/KG的水平,这已经是规模化应用的,无论是圆柱、方型、软包,在乘用车领域都有比较大规模的应用,这是刚才提到的快充锂离子电池,做到120WH/KG,能够做到5C充电,会在张家口冬奥会做比较好的展示。会和快速加热的技术,大概两三分钟之内大概可以把电池加到0度的水平。

磷酸铁锂现在做到170-180WH/KG,主要用于大巴车领域。

到2020年的时候我们会在磷酸铁锂方面再做一些技术提升,大概做到200WH/KG的水平。主要还是应用在大巴车领域。前面提到了我们做300WH/KG用高镍材料和硅碳做匹配,现在进展也会比较大,后面会做展示。

再就是负极锰基和硅碳,用新兴锂离子,做到400WH/KG。还有一个大家关注的固态电池比较多,锂离子电池的固态化到2020年会有产品在市场上应用。这是重点研发专项里面,支持的电池项目的一些大致进展情况。

第一个就是300WH/KG的软包电池,进展比较快,正在做集中测试评价,有的电池企业的产品,研发产品还是体现出比较好的技术水准。

再就是快充的电池,我们做到200WH/KG,大概也会做到五倍率的充电倍率。

还有一个就是400WH/KG,富锂和硅碳。

这个就是300WH/KG的电池进展,宁德时代、力神,从测试结果来看还是体现出非常好的水平,同时项目之外,很多企业也在看到300WH/KG高比能电池的研究工作。我们把300WH/KG的技术推演一下,用高镍的正极和石墨做匹配,我们做方型电池,像比亚迪这样的产品可以做到270WH/KG,这样的产品明年可能会在一些车型上做推广和应用。

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还有一个我们做软包的,利用高镍和石墨做匹配,会做到290WH/KG的水平。像孚能、力神这样一些企业都会有产品,明年可能会在一些车型上应用。

还有一个快充类的电池,做到200WH/KG的水平,大概可以做到4C充电,前期我们已经做到了144WH,可以做到6C的产生已经实现了。还有一个做超级电容器,现在大概在60WH/KG的水平。也体现出比较好的技术进展。

400WH/KG就是富锂锰基和硅碳领域。

固态电池方面,锂离子电池固态化,一个能量型一个功率型大概做到230到250WH/KG的产品技术水平。循环性和安全性还是体现的比较好。

前面提了锂硫、锂空气、固态电池等等进行一些项目支持,能不能实现产业化还要看技术进展,我个人觉得到2030年左右的水平。

最后讲讲电池的标准和产业化的情况,从目前的标准体系来看,对动力电池来说,应该中国在全球来看,相对来说是比较完善的,从电池的电性能、安全性、循环寿命、体积利用、互换性方面都制定了一些国家标准,这些标准被装备中心引用就变成了一个强制性标准,尤其是安全性和电性能这块大家关注度会比较高一些。

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现在还有一个就是电动汽车用锂离子动力电池安全要求也是一个强标,对于国外来说就是一个法律,已经制定完成了,已经报到WTO相应的一些反馈工作已经完成了。预计今年的年底有可能发布。这里面会把前期的单体模组和系统的一些安全测试项目的一些内容,都纳入里面,同时会结合国际的UL、GTR、RSO、REC,这些对锂离子电池安全性要求的测试项目都纳入里面。其实就是在座的各位整车企业,包括电池企业的安全测试项目和内容,基本上在这些标准里面都体现出来了,当然在这里面着重增加的就是热失控和热扩散的测试项目,整车出现安全性问题,最终体现的就是单体电池发生热失控,对于整个电池系统发生了热扩散,这种情况下有可能导致发生爆炸和燃烧的现象。在这里面制定了热失控、热扩散的测试流程,最终要求是可以允许着火和爆炸,但是给驾驶员一定的逃生时间,现在设置的是五分钟的时间。上次在上汽聊他们设定是三十分钟,他们最终目标有可能要达到一小时,这是下一步无论是整车企业还是电车企业,从测试评价的时候着重要考虑的这块内容,因为最终体现的还是这个问题,无论什么样的问题,造成的都是电池包发生热扩散之后导致的安全问题发生,我们要从全生命周期验证这个问题,新型电池使用到一定时间的电池,包括我们使用寿命快终结的时候电池包安全性我们要做综合性考核和验证。这就是一些扩和验证工作,从材料到单体到系统我们要结合的工况,包括我们的管理系统等等这些,我们要做综合性的考核验证。其实最终体现的就是单体电池的热失控,整包热扩散之后的电池系统的安全性,包括对整车的安全性影响。产业化进展很快,2018年配套量已经上升到570亿WH的水平,但是电池企业的数量火灾不断聚集,从最高的时候200多家,现在大概缩减到80—90家的水平。我们还是希望通过这样一些智能工厂应用来提升电池企业的优质产品的产能。

从价格来说寿命还是和补贴政策设置的要求是挂钩的,对于乘用车是八年12万公里,价格方面来说,今年大概均价应该在系统的角度是一块钱1WH,低的到了8毛钱。高的还维持在1.2元1WH的水平。考虑到资源回收情况,只要整车数量达到一定水准情况下,我们再考虑中国现在的资源现状,从这个角度来看,像锂、镍这样的资源不会阻碍中国新能源汽车的发展。

最后是动力电池发展需要重视的技术问题,第一个是安全,虽然我们的电池能量密度越来越高,但是我们要把安全放在第一位。这个过程里面把电池包热管理热扩散技术做深入的研究和应用。同时通过智能制造来提升产品品质和产品的一致性,这样的话我们可以变相提升电池循环受用,降低电池使用成本。

同时在新体系电池方面技术研究方面要做比较好的技术积累。标准化方面,希望通过这样的方式来降低电池的制造成本,包括来提升体积利用的水平。这样的话这几方面结合在一起,对于动力电池无论是现在还是将来的发展,都会有一个比较大的促进,从而促进中国新能源汽车的健康发展。

我就讲这么多,谢谢大家!