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国联研究院王建涛:高安全高比能动力电池的开发进展

发布日期:2022-06-30   来源:汽车纵横网   浏览次数:4406

预判22年动力电池的整体装机量会超过300GWh。
听了于总的报告之后特别兴奋,解决了很多电动汽车核心部件的安全问题,我在这儿做一个充换,我想从电池的角度,来讲一讲动力电池,也就是充换电的核心部件,动力电池的技术发展和关键材料的进展。

在讲这个之前,我们回顾一下,新能源行业经过多年发展,从技术的开发到政策的引导,再到现场的时间导向,已经走过20年,已经形成了很大的规模。在习总书记提出了双碳目标的引导下,新能源汽车未来迎来了又一个高速发展,世界各国也都制定了新能源汽车的一个发展规划,甚至是一个燃油车的禁燃计划。在这个大背景下,我们认为发展新能源汽车,一定是个全球的战略趋势。

回顾一下新能源汽车整体发展历程,从今年的1—5月份,新能源汽车的产销来看,可以看到新能源汽车,今年5月份超过200万辆,这是什么概念?去年同比增加了1.1倍,新能源汽车的整体发展趋势向好,这张图可以看到,是13-21年,加上今年的1-5月份,接近800、900万辆,到6月份应该可以到一千万辆。新能源车的渗透率,从0.2%到4%,走过了很多年,大概有10年,从20年到22年,通过两年的时间,21年已经超过10%,到22年的5月份已经到了26%,这个速度非常快,我们认定高速的态势已经形成,市场不断优化。

所以在整个发展来看,从13年到21年,刚才我们讲的是12-20,现在是从13到21年,我们新能源汽车的增长超过了200倍,动力电池增长配套,超过200倍,在这种大背景下,今年的1-5月份,累计装车量超过165G瓦时,超过21年的全年装机总额。

预判22年动力电池的整体装机量会超过300GWh,我们来看一下整体都是哪个地方装机。比如我们认为是纯电动汽车,还是插电,还是其他的,到底是三元还是磷酸铁锂。现在当前主要是三元、磷酸铁锂,整体的发展态势从当时的政策诱导,到市场的一个主导,这一块动力电池的行业继续长期维持一个高速增长的态势,用了三张片子回顾了一下新能源汽车的历程。现代动力电池的技术,依旧是一个创新非常活跃,我们从两个阶段来讲,在2015—2020年主要是以能量密度见涨,能量密度是一个导向。这个导向,都有50%以上的提升,在其他行业,可能不是一个很大的发展,但是对于电池来讲是一个很高的提升,同时循环寿命也是翻倍的提升,不管是三元从2015的一千周到现在的两千,都是翻倍的增长。从2000-2022年,这个创新集中在很多层面上,包括我们的系统级的创新,出现了CTP,CTC,包括麒麟电池,都提升能量密度。比亚迪汽车,这一块都是从提升系统能量密度,降低成本的角度,来做了一些技术上的创新。

刚才于总讲到安全,新能源汽车在安全的角度没有停止过创新,安全问题始终是我们研究的一个重点。前期的安全主要是动力电池的安全,不管是电极层面,陶瓷涂覆隔膜方面,复合隔膜,还是现在在电池做的复合集流体,我们从电池方面的安全,都是本身特性。当然我们很多大的电池企业也在讲,新能源汽车能不能通过一些集成的创新,来降低它的安全风险。所以很多电池企业,和系统企业,都从系统的角度,也在提升一些安全问题,这也是继2000年之后,出现了很多新电池系统结构,基本上是从电池模组和系统,甚至是无模组的角度,来构筑整个的安全防护系统,共同保障动力电池的安全,来提升新能源汽车的整体安全。

电池型号这一块,在新能源汽车刚出来的时候,我们电池类型非常非常多,从现在来看,基本上型号是确定的,不管是方形还是圆柱和软包,形状和尺寸原来有很多,最早的时候100多个,现在十几二十个,基本上已经涵盖了我们整个所有的新能源汽车的电池基本形态。包括我们的宁德时代,中航,松下,LG等等这些企业。

所以在这一块,通过这几年的发展,新能源汽车配套量也逐步上来,不管是全球的还是我们中国的,整体的汽车企业,对于电池企业的要求,需要一个大规模的集成,所以电池企业规模也越来越集中。我们整个配套量,也就是电池的配套量,越来越集中于前10家甚至前20家,从装机量来看,前6家占装机量的86%,所以龙头企业已经确立。

产品规模化方面,我们分析这些企业,比如说宁德这一块,一开始是方形,以三元为主,后来开发铁锂,这是整体的技术路线。三元这一块主要是中镍单晶体系和高镍,高镍基本上是2001年能量密度已经宣称达到300以上,这一块应该是基本上导入到一些车型当中。固态这一块报道的比较少,但是前两天也看到,开发一个凝聚态的电池,行业普遍判断也是跟固态相关的。在钠电这一块,也是引发了一个钠电的潮流。

比亚迪主要是以三元和铁锂,逐渐转向铁锂为主,最早比亚迪也做一些三元。整个的电池形态以方形为主,这一块比亚迪的固态计划,大概也是2022年尝试使用,现在这一块报道比较少,主打还是刀片电池。

LG这一块主要是软包,LG最早出来的是瞄向高能量密度,现在已经到了300瓦时每公斤,现在主要是往低钴方向走。磷酸铁锂这一块,是近两年LG说要布局软包的电池,固态这一块一直在开发,聚合物和硫化物的电池,他们是争取2026年实现量产。

三星这一块,主要最早出来的就是方形,在14-16年的时候,三星的势头很猛,由于国家的一些国内装机,主要以国内的一些电池为主,所以三星这一块发展,当时有所滞后。但是它的能量密度,一直也发展的很快,大概是现在到了280,甚至是300,以光电为主。固态这一块发布了一个在全固态硫化物,循环一千度,当时做了6安时的电池,所以他们在这一块布局一直是比较多的。

松下这一块,了解松下得益于特斯拉,特斯拉主要一开始用的是松下的圆柱,松下一直以圆柱为主,现在他们在国内布局了软包的这一块,所以这一块计划从刚才的宁德也好,到现在的松下也好,基本上现在在正极材料这一块都有一个很好的趋势。在固态这一块,不管是宁德还是松下,以聚合物、硫化物见长,所以最终可能也是采用硫化物的技术路线,量产时间现在不一定。

这是国内几家主流的电池企业的分析,在这个分析的基础上,下一代电池技术到底是什么,我们主要是从产品的角度,从技术路线的角度,以及从下一代电池呈现的形式角度,我们稍微梳理了一下。

从产品的角度,左边这个是16年做的中国动力电池技术路线图,当时我们主要偏重于技术,从技术的角度来判断,下一代电池的技术,从目前来看这个判断,从当时来看,也是按照这个技术路线在走。20年修订的时候,是基于产品,以市场的角度来看这个事情,右边是20版,所以把动力电池分能量型,能量兼顾型和功率型,这样就把应用场景细分,所以未来市场为导向,依旧是发展的一个趋势。

从技术体系来讲,我们国内不管是铁锂还是三元,都是往更高容量来发展,不管是英国还是欧洲,都做了自己的技术体系、材料体系路线,他们也选择了他们技术体系。以欧盟这一块为例,也是在2020年之后,是往高镍、富锂和高电压发展,负极也是往硅基方向发展。目前主要是三元硅碳体系,未来进一步革新发展,当然发展是往更高容量,更稳定性的角度来走。

这是下一代电池的一个呈现形态,因为我们刚才讲技术路线,产品是什么,产品的性能是什么,技术体系是什么,但是呈现的形态是什么,这是我们普遍学术圈从行业引导圈,也是从科学的角度,大概有这么几块,不管是从2020年10月份国务院办公厅发布的产业发展规划,加快固态电池的技术研发到产业化,甚至到2020年新能源汽车路线图2.0版本提出的固态电池,以及到2021年,甚至是2022年的国家科技部的新能源专项,都是把这个固态电池作为发展的重点。当然日本这一块是在2018年,连续两期发展全固态研发项目,美国也是2021年6月份,制定了国家锂电蓝图,专门作为下一代锂电的研发重点方向,是五个方向。中国科协是2021年7月份,当时提出的是10个难点问题,如何开发容量倍增的固态电池,今年又提出了10大难点,是在昨天发布了全固态电池的产业化,也是一个10大难点,全固态电池是未来电池呈现的一种形态。

这是国联研究院这些年在全固态电池方面的一些开发,从最早的单片的3×4,到现在的大尺寸,24×12的单片到多片的开发,最早容量发挥不出来,可能到现在达到设计容量的60%,这是一个进步。但是它还远没有达到水平,我们希望在未来的2—3年形成一些小的电池原型或者是产品技术,能够实现一些产品的应用验证。

在动力电池关键技术之后,我们回顾一下关键材料,这是整个的一个生态。不管是从最前端的原材料,还是到动力电池,到回收这一块,在链条闭环这一块,我们的充换模式在这一块起了非常大的作用。因为在上午,我们的王秘书长讲,电池其实是需要多次利用,或者快速利用,才能发挥更大的价值,能进一步解决成本的一些问题。刚才我们于总也讲到电池在整个循环过程中的梯次利用,我们目前这一块是没有形成完整的闭环,也许希望我们充储一体,还是未来其他的方面,能够形成一个闭环。如果闭环之后,我们就可以解决我们上午主论坛讲的原材料的快速涨价的一些问题。

在整个的过程中,不管是到动力电池,还是到新能源汽车的性能,最终取决于我们的材料的一个性能,所以在这一块,整个产业链,我拿四大组材稍微回顾一下。

正极材料这一块,这几年发展的非常快,不管是最初大家做动力电池,一直到三元到93以上,还是磷酸铁锂,还有现在的高锰,磷酸锰铁锂,发展的速度都非常快,三元里面又分了这么多种,这就是整个材料体系,整个发展是逃不出,我们的铁锂体系,还是三元体系。归根到底就是我们的材料,基本上形成了一个比较稳的生态。在这个角度上,我们材料下一步的发展,是往哪个方向发展。我们在20年做的一个材料的发展趋势的技术路线这一块,给出了一些我们的思考,我们认为在高镍这一块,可能是表面低谷,就是低谷无谷的角度,从而表面的一个富镍,提升稳定性的发展,我们给了一些认识,我们希望通过材料自身的设计,提高到现在的高镍,可以达到三元的一个水平,这是对于高镍的一个认识。在磷酸铁锂这一块,它的结构一直比较稳定,但是它的低温性能是它的一些短板。现在就是通过一些掺杂和其他的手段,是不是可以提高更高的能量密度,电压抬起来。当然成本这一块,是原材料没有涨价之前,做的一些成本的判断,所以我们认为这一块是未来的一个研发和布局方向。

在负极材料这一块,从它出现,天然石墨到人造石墨,到现在我们常说的硅碳,包括硅碳氧等,成为下一代的还是以石墨和我们认为最具有潜力的硅基负极材料,作为下一代的主要研发方向。这是我们对负极的,从材料体系,技术指标,安全指标,还有一些产业化指标,以及它的成本做了一个判断。

电解液这一块,可能在整个电池里面占的成本大概是6%—8%,和隔膜基本持平。但是它的作用非常大,它也是安全问题的重要点,现在液态电解液的闪点比较低。电解液这一块的整个组成,包括添加剂等等,都是一个研发方向。

从最近市场上,或者是从学术上发表的一些文章,电解液从溶剂的角度,从往高电压的溶剂方向,从浓度的角度,往高浓度的角度发展。在这个发展驱使下,由于溶剂和添加剂,基本上大家都是配方制,所以产品是比较同质化严重,我们原来的添加剂主要是以外购为主,现在我们内部的添加剂的合成和制备工艺也到了一定的程度,所以添加剂依然是大家研发的核心。

隔膜这一块,原来我们认为隔膜是一个非活性物质,电池热失控的过程中,主要是由于它的坍塌引起的,所以隔膜的发展方向一直是耐高温,基膜一直是没有发生太大的改变,不管是PP,还是PE,所以只能是目前在隔膜的表面,做一些工作。包括我们涂陶瓷,还有阻燃的材料,在这个角度上,整体提升隔膜的耐热稳定性,以及它的耐穿刺的能力,这是整体的一个发展方向。

近些年隔膜又出现了新的基膜,不管是什么样的,目前我们发现复合类的隔膜,在耐热这一块表现出了非常好的耐热,我们2.0的时候把实用温度提高到200度,甚至是250度,我看今年国家科技部的高等材料里面,专门提到了一个200—300度的隔膜的项目,这也代表了现在一些新型的机膜的出现。

整体从技术发展方向,我们认为依旧存在着一些挑战,所以这一块我们给了一些自己的思考。从动力电池这一块,未来从成本,从品质,从生态,从性能这一块,依然存在需要发展和改进的地方。成本这一块,结合我们的充换论坛,我们认为充换的新模式,也是一个有效降低成本的手段,这个上午我在主论坛上讲完之后,我看今天于总讲完,更坚定了我的看法。就是充换的新模式,未来可能是降低整个动力电池全生命周期的有效手段。

在材料降本这一块,降低贵金属材料的用量,在技术降本这一块,主要是通过提升动力电池的能量密度,包括提高材料的容量、通过系统的集成,提高系统能量密度,以及提高电池寿命,全生命周期的成本,这是大家一直在做的事情,就是技术降本。

在性能这一块,一直提到的是安全快充宽温域,甚至是长寿命,一直是大家比较关注的,安全问题是从材料的热稳定性,这也是关键核心材料,当时提的技术路线的时候,不管是高镍的稳定性,还是电解液,最后提的高熔岩,以及我们提到的耐高温的角度。最后就是固态电解质,全固态电池一致认为是解决安全本质问题的有效途径,或者是终极途径。在快充这一块主要是集中快充负极,宽温域主要是电解液,长寿命主要是长寿命材料体系。现在正在开发的低阻抗长寿命的电解液,是解决新能源汽车长寿命很有效的途径。

在生态这一块,今天讲的是一个新能源汽车的新模式,可能就是充换电的模式试点运营,刚才于总讲了,我认为试点运营,但是我对这一块,可能是一些标准体系的建设,还是急需要一些跟进,因为现在不管是于总讲的,包括体系利用,包括一体化,包括梯次的模式,还不是那么成熟。退役电池的标准体系的建设,还急需进一步跟进。所以大概是这么一个趋势。

十分感谢,在这个论坛上讲一些动力电池的东西,希望能为充换新模式提供一些参考,谢谢大家! 

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