欧阳明高院士解析2017年动力电池技术进展与发展趋势
资讯类型:相关新闻 加入时间:2018年1月8日15:58
1月7日下午,由电动汽车百人会主办的“把握全球变革趋势,实现高质量发展”热点问题交流会在清华大学召开。欧阳明高院士出席会议并发表了题为“2017年动力电池技术进展与发展趋势”的主旨演讲。

以下为欧阳明高的演讲内容,经雷锋网新智驾不改变原意的编辑整理。

国内动力电池的主要技术进展

针对2020年实现300瓦时/公斤的电池目标,目前取得了实质性突破。

目前新能源汽车上的电池研究团队主要包括:宁德时代新能源、天津力神和合肥国轩高科动力能源,这三个团队采用的技术路线大同小异。

从比能量角度出发,宁德时代新能源研发的电池循环寿命在1000次左右,能量密度达到304瓦时/公斤,且安全性也全部通过。因为他们采用的是软包电池,非方形电池。

其实2017年底,软包电池的能量密度单体已经达到230瓦时/公斤左右,系统约150瓦时/公斤左右。因此,2018-2019年间再提高50~70瓦时/公斤的目标可以轻松实现,争取能量密度单体达到260-350瓦时/公斤。

面向2025年产业化,目标冲击单体电池400瓦时/公斤。

单体电池300瓦时/公斤是负极从碳变成硅碳,400瓦时/公斤的单体电池改变的是正极,目前可供选择的正极几种,而重点专项取得突破性进展的是高容量富锂锰基正极材料,有两个单位承担了前沿基础项目,一是物理所,改善了富锂锰基正极循环的电压衰减,达到的指标是100周之后电压衰减降到了2%以内,是一个重大的进展;另一个是北京大学团队,首次研制出了比容量400毫安时/克的富锂锰基正极,对于400瓦时/公斤的单体电池没有问题,甚至可能更高。

固态电池技术发展

国内有多家研究机构和产业单位在研究固态电池,包括中科院青岛能源所、宁波材料所,物理所、宁德时代新能源和中航锂电等。据雷锋网(公众号:雷锋网)新智驾了解,日前宁波材料所跟赣锋锂业达成合作,正在推进产业化,计划2019年量产。应当说固态电池无疑是2017年全球电池领域最热的一个技术名词。

全球“全固态锂电池技术”进展评估

1、全固态锂电池定义

欧阳明高院士强调,全固态锂电池,这几个词每一个字都不能少、不能变,例如“全固态”跟“固态”是不一样的,“锂电池”和“锂离子电池”也不是一个概念。“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态,不含任何液态组份的锂电池,所以全称是“全固态电解质锂电池”。

2、全固态锂电池分类

全固态锂电池又分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池,根据负极是否直接使用金属锂为活性物质,全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和锂金属电池,这两个概念又要区别,所谓全固态金属锂电池,就是它的负极用的是锂金属,目前市面上的负极是碳或者硅碳或者钛酸锂。

全固态锂电池的概念比锂离子电池出现的更早,锂离子电池是日本人发明的,到现在有25年的时间,但是运用到汽车上只有10多年,属于年轻且进步较快的电池。

3、全固态锂电池的潜在技术优势

全固态锂电池之所以受到广泛关注,主要是因为有望解决目前困扰动力电池发展的两大关键问题-安全性和能量密度低,其潜在优势包括:

安全性高,由于采用高热稳定性的固态电解质,代替了易燃的常规有机溶剂电解液电池燃烧问题得到解决。

能量密度高,由于金属锂的超高容量,给予相同正极时,固态金属锂电池与常规液态锂离子电池相比,其能量密度可以得到大幅度提升。需要说明的是,由于固体电解质密度和使用量高于液态电解质,在正负极材料相同时,全固态锂电池优势不明显。

正极材料选择范围宽,由于全固态锂电池可以直接采用金属锂为负极,不要求正极结构中含有锂,一些高容量的贫锂态材料也可以作为正极。此外,无极固态电解质宽的电化学窗口(>5V),也为高电压正极材料的应用提供可能。

系统比能量高,由于电解质无流动性,可以方便地通过内串联组成高电压单体,利于电池系统成组效率和能量密度的提高。

4、全固态锂电池的主要技术难点

全固态锂二次电池虽然具有一些潜在技术优势,但同时也存在一些迫切需要解决的技术难题。

(1)固态电解质材料的离子电导率偏低

现在有三种固态电解质,一种是聚合物,一种是氧化物,一种是硫化物,聚合物电解质这种,其实这个电池已经有了,现在在法国有些车上用,它的问题就是要加热,电池要加热到60度,离子电导率才上来,电池才能正常工作。目前氧化物电解质一般比液态的还是要低很多。只有硫化物的固态电解质现在跟液态的差不多,比如丰田就是用的这种硫化物的固态电解质,所以固态电解质是有突破的,主要的突破是在硫化物的固态电解质。

(2)固/固界面接触性和稳定性差

液体跟固体结合是很容易的,渗透进去。但是固体和固体接触性和稳定性就不是太好了,这是它很大的一个问题。硫化物电解质虽然锂离子导电率已经提高了,但是仍然有界面接触性和稳定性问题。   

第三个问题是金属锂的可充性问题。在固态电解质中,锂表面同样存在粉化和枝晶生长问题。其循环性,甚至安全性等还需要研究。

(3)制造成本偏高,全固态锂电池制备工艺复杂,且固体电解质较贵,现阶段电池成本较高。

(4)金属锂的可充性差,金属锂在液态电解质中反复充放电时易出现粉化、枝晶生长等问题,导致其循环性极差。

基于上述难点问题,特别是固态界面接触性/稳定性和金属锂的可充性问题,真正意义上的全固态金属锂电池技术尚未成熟,还存在很大的技术不确定性。目前展现出或者有突破的产业前景主要是固态聚合物锂电池和是固态锂离子电池。

5、全固态锂电池与固态锂电池区别

固态电池,不一定是固态电解质,还有一点液态,是液态跟固态混合的;固态锂离子电池,其电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质;半固态,就是固态电解质、液态电解质各占一半,或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的,准固态,就是主要为固态、少量是液态。

简单地说,固态电池是一种外观上貌似固态,但实质上采用固液混合电解质的电池。

6、固态锂电池国内外动态

现在固态锂电池持续升温,包括我国在内的美国、欧洲、日本和韩国都在开展研究。

美国专注于有机-无机复合固态电解质的大容量固态锂电池研发,以小公司,创业型公司为主。一个是S-akit3,续驶里程能到500公里,现在还处于初级阶段,还有一个初创公司Solid—State,立足于颠覆性技术。

日本采用无机固体电解质的大容量固态锂电池研发,多家公司出台了量产计划。其中丰田是固态锂离子电池,它的负极是石墨类,硫化物电解质,高电压正极,单体电池容量15Ah,2022年实现商品化。

韩国同样和日本一样采用无机固体电解质的大容量固态锂电池研发,试制品也是石墨类负极,非金属锂负极。欧阳明高表示,中国、日本和韩国的情况相类似,因为我们已经有了很大的锂离子电池的产业链,不希望推倒重来。

综合评述与展望

1、锂离子动力电池有望于2020年前实现300瓦时/公斤目标,目前国内外技术研发基本处于同一水平,但安全性研究尚待加强。

2、锂硫、锂空电池作为实现远期目标的两类新体系,目前国内外进展相对缓慢。

2017年两者没有突破性的进展,从原理来讲,锂硫电池的重量比能量跟体积比能量基本相当,所以它的体积比能量要提上来是有相当难度的。锂空电池集合了锌空电池、氢燃料电池和锂二次电池的所有难点,相比而言氢燃料电池更具竞争优势。

3、固态电池的研发产业化持续升温,但受到固/固界面稳定性和金属锂负极可充性两大问题的制约,真正的全固态锂电池技术尚未成熟。

总体看固态电池发展的路径,电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态,最后到全固态。至于负极,是从石墨负极,到硅碳负极,我们现在正在从石墨负极向硅碳负极转型,最后有可能到金属锂负极,但是目前还存在技术不确定性。

4、2017年中国在高容量富锂正极材料方面取得了一些突破,基于高容量富锂正极和高容量硅碳负极的革新型锂离子电池比锂硫和锂-空电池更具可行性。

根据上面的进展分析,欧阳明高、陈清泉等专家组对技术电池技术的发展趋势判断做了一次优化迭代(不作为国家电池技术路线图的依据,仅供参考),具体如下:

2020年,比能量300瓦时/公斤、比功率1000瓦时/公斤,循环1000次以上,成本0.8元/瓦时以内,这个是确定的。

所对应的材料是高镍三元,目前国内正在从镍、钴、锰比例3:3:3转向6:2:2,最后转变到8:1:1,镍变成8,钴进一步降到1,甚至钴进一步降到0.5。负极要从碳负极向硅碳负极转型。这是我们当前的技术变革。

2025年,正极材料方面进一步提升性能。

2017年取得重要突破的富锂锰基材料,从300瓦时/公斤—400瓦时/公斤,每瓦时成本从0.8元降到0.6元以内,这时一般性价比的纯电动轿车合理的里程为300km400km。

2030年,固态电池会规模产业化,电池单体比能量有望冲击500瓦时/公斤。

雷锋网新智驾了解,欧阳明高在1月20日举行的百人会上,主要讲解三个问题:电池、电耗和充电。

零部件层面和核心技术层面的关键技术是动力电池和燃料电池,详细讲解年度技术进展最大的一个。

整车技术中,今年关注的不是里程,而是电动汽车电耗问题,因为电耗是当前整车集成技术的核心问题。

新能源汽车推广应用的系统工程中,充电技术的需求与变化。
文章来自:中国燃料电池网
文章作者:佚名
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