张志伟:未来三十年锂离子电池依然是主流

网易汽车综合629日报道 6月29日,“2018新能源汽车发展峰会”在南京举行,此次峰会的主题为“智能、网联、融合、创新”,旨在进一步推动国家和地区新能源汽车技术发展,加强新能源汽车产业链发展和延伸,吸引新能源汽车产业优秀人才创新创业。会上,来自国内新能源汽车领域的300多名专家学者、企业家和核心零部件企业代表共聚一堂,共同分享和研讨了行业的发展趋势和核心技术。以下为博郡汽车副总裁张志伟博士的演讲实录:


各位领导,各位老师下午好!我非常感谢大家能坚持到最后,很荣幸和大家分享一下我对动力电池技术路线的个人想法,纯属个人观点,欢迎批评指正。

说起新能源汽车,不得不归功于我们国家的大力支持,2025的十大重点战略目标其中有一项是节能与新能源汽车,我还记得咱们国家新能源汽车的元年在2014年,当时年产量达到了7.8万辆新能源汽车。短短的3年达到了82万辆,3年达到了10倍的增长。增长的趋势还会继续,按照现在的预测到2020年咱们国家的新能源年产量达到200万辆,也有新的说法是300万辆,2020年的保有量至少在500万辆以上。我们首先要归功于国家政策的大力支持,也归功于业界我们在三电系统,包括电池、电机、和整车控制方面大家共同的努力。中国在新能源汽车三电基础上已经和国际水平不是差得非常远了,期望2025年我们国家实现完全的技术自主化。

说起动力电池,比较先进的像特斯拉,包括I-PACE的电池都是滑板式的,这是车的底盘,电池整个一大块放在车底下,上面就是白车身。就是一个电池,为什么说它重要呢?电池是一个新能源汽车里最大的一个零部件,也是最贵的零部件。目前成本占博郡汽车的42%,重量占到了25%。当然了,这可能跟续航里程有些关系,一般电池小一点可能成本低一点,基本上纯电动新能源车成本是30%-40%,有的甚至高达50%。这和传统车相比比较恐怖,因为传统车没有任何一个单独的零部件可以占整车这么大的比例。这给我们提出巨大的挑战,也是巨大的市场机遇。我们估计到2020年全球动力电池的销售额几千亿人民币的规模,其中一半会是中国的。因为中国肯定要占到超过一半的市场份额。

说起电池的技术路线,在网上有各种各样的宣传,总结起来也不多。我今天给大家分享一下动力电池的技术路线。其中包括锂离子电池和锂硫电池,这种电池的术语是二次电池,就是可充电的。第二种是氢燃料电池和金属空气电池,也是一种燃料电池,但这种电池不可充电,是一次电池。第三种是超级电容,归类起来也就这三种。

讲完以后和大家讨论一下锂离子动力电池,也是目前的主流,它的电化学体系,还有它的形态,是软包、方壳还是圆柱,哪个好?我们先讨论一下动力电池的技术路线,大家看中间的图像翘翘板一样的,右边是正极材料,锂离子电池的正极材料,有很多种,有钴酸锂、锰酸锂、NCA,就是特斯拉在用的,还有LFP,就是比亚迪在用的磷酸铁锂,还有NCM,镍钴锰酸锂,这也是一个非常多的正极材料。负极这一块比较通常的材料,碳、硅、硅氧混合物,还有LTO,就是格力,董明珠公司在用的负极材料。从原理上讲很简单,就是一个负极、一个正极,中间有隔膜和电解液,充电的时候正极电压上升、负极下降,放电的时候正好是相反。

从锂离子电池我们考虑一下有什么优点?一是循环寿命很长,比较安全;最重要的是已经高度产业化,已经被市场验证,现在大家手里的手机,还有笔记本电脑、新能源汽车都以锂离子电池为主的。缺点还是有的,能量密度还需要进一步提高,成本需要继续下降,否则顾客接受度是比较低的。尤其是没有补贴以后,能量密度一定要提高,成本一定要下降。

还有一个大家听得比较多的是锂硫电池,宣传的比较多。正极是硫和多硫,不是氧化物了;负极是金属锂,优点是比较明显的,重量能量密度比较高,达到300-350Wh/kg,成本很低,因为正极材料是非常丰富的。缺点我列了很多,缺点确实比较多,体积能量密度非常低,什么概念?电池个比较大,虽然轻,但个子比较大。而且有一个致命的缺点,多硫这个正极在电解液里自己溶解,导致寿命降低。这个电池在研究阶段,还没有被市场验证,也没有商业化。这是两种有代表性的二次电池,动力电池宣传的比较多的。

第三种是氢燃料电池,目前又开始热起来,尤其是李总理访问过日本的丰田。氢燃料电池的正极是空气和氧气,负极就是氢气,中间也是隔膜和电解液。从原理上来讲和锂离子电池是不一样的,是不能充电的。优点也是比较明显的,能量密度非常高。因为有一个正极,都是空气,不需要装任何活性的物质。而且充氢的时间短,现在高压充气日本的氢燃料电池5分钟,充气可以跑500公里,这是明显的优点。缺点我也列了很多,咱们说实际的,还是有很多缺点。首先氢气的安全使用,大家都知道氢气在空气中的混合体4%-75%都是爆燃点,只要混合比达到以后有一个火星不是起火,而是爆炸,这是安全使用。因为安全使用导致安全成本非常高,在储存、运输的过程中大家一定要注意,尤其是加氢站,加氢站的建造费用非常高,一个加氢站要1000-2000万人民币的规模。第三,没有真正的产业化,最重要的一个是不能并网充电。大家想象一下目前我们是互联网的时代,信息互联网,未来非常有可能是能量的互联网。我们可以随时并网充电,可以削峰填谷,而不是通过充氢做这个事情。否则夜间的电制成氢,再充到车里头,再放到电网里,实际上效率损失很大的。如果没有新能源汽车,汽车本身就是一个能源载体,我们可以随时并网,把多余的电放置到电网里,或者从电网里充电,我个人认为这是它比较致命的缺点,除了成本高,再一个是将来不能并网。

另一个原理上也是燃料电池,只是负极变成金属锂,大家都听说锂空电池,只是把氢气换成金属。这个东西的能量密度也是非常高的,而且是更高。但也存在不少缺点,安全性方面析氢和碱液是一大问题,大家要注意。第二,也是日历寿命,缺点还是安全性、循环寿命方面,而且也是不能充电。第三种是超级电容,超级电容的优点非常明显,正极是活性碳,负极有时候用碳+锂,超级电容有一半是结合了锂离子电池的负极。优点是循环寿命是超长的,循环个几十万次、20万次、30万次都可以,功率非常高,而且安全,产业化验证过。像公交车在世博会上就开始用了。有一个致命的缺点是能量密度太低了,只有10-20Wh/kg,而汽车上用的电芯的能量密度至少是它的10倍,这个金属还是有大规模应用的局限性的。

总结一下我个人的观点,在未来新能源车用动力电池未来20年,锂离子电池还是我们的主流。氢燃料电池我个人认为尤其是咱们国家,氢燃料电池的大规模应用还有很长的路要走,我估计不会对锂离子电池的主流定位造成威胁,应用可能在专用车,比方说客车、大型的运输车上有一些应用空间。金属空间电池和锂硫电池我打了两个大的问号,确实有很多技术的问题,确实有很多优点,但技术方面还是有很多需要改进的地方,离商业应用相对来说可能性不是很大。最后是超级电容,在短途公交车上的应用可能性比较大一点。

说起技术路线,刚刚讲了锂离子电池是我们未来的一个主流,我们博郡汽车目前也战略规划了动力电池完全的产业链,我们自己从电芯开始做到模组,最后做到电池包。现在初步的在南京有一个电池包的试制车间,在淮安有电芯和模组生产基地。说到电池包,核心还是电芯,因为几乎所有的性能和成本、重量都是集中在电芯,我们多讲讲电芯的技术路线,包括电化学体系、形状,对性能有什么影响?

任何一个电池都是一个能量体,我们考虑一个能量体不能简单的只看一个方面。一般我看一个电池的系统一定要考虑六个方面,一是安全,二是能量密度,三是功率密度,四是使用寿命,五是性能,最后是成本,一定要平衡的看。现在有些公司声称能量密度非常高,300Wh/kg,但去看它的寿命循环,100个循环就死掉了,这种电池肯定是不能用的。也有一些公司说循环可以1000次、2000次、3万次,一些磷酸铁锂的电池,但这种电池装不到乘用车上。为什么?因为能量密度太低,乘用车装不下的。我们考虑电池系统要从多维度的角度来做综合的评估。

一般做电池系统评估我们就用六维的蛛网图,把能量密度、功率密度、安全性、性能、寿命和成本划个圈,蛛网图的形状,越均匀、面积越大,是越好的系统,越均匀的系统。现在说的NCM就是镍钴锰酸锂,就是第二张图,是最平均的图,而且面积是比较大的。这是为什么市场上大家都看三元锂离子动力电池,就是从这里来的。说到三元锂离子动力电池,我简单介绍三元从什么地方来的。实际是三元素,你看大三角,最顶上的三角是钴元素,锂钴氧,左边的三角是磷锰,最右的是镍。这个三角其实就是钴、锰、镍这三元素。为什么大家把这三个混起来呢?当时纯的锂钴氧有它的优点,正极密度非常高,可以做到很高的压实密度,能量密度做得很高。但大家都知道钴是很贵重的金属,量要降下来。锰这个元素的反应性很低,电池做出来比较安全,但缺点就是能量密度比较低。最右边的一角是镍,纯的镍的氧化物有它的优点,功率非常高,循环也比较好,但安全性比较差。后来科学家把三种元素做了很多研究,很多固溶体、单一化合物就产生各种各样的三元材料,市场上听到的523622811这种说法,现在大家看到的就是市场上最主流的一个正极材料叫做811。这个材料可能就是未来几年主要的正极材料产品。我们的样品都已经做出来了。

这是博郡电池能量密度的路线图,最右边我们在2020年争取电芯达到300-350Wh/kg,电池包180-220Wh/kg,这也是咱们国家的战略目标。能量密度的提高,我再说明一点,光说能量密度的提高有点片面,另外五个维度也要一起考虑进去。如何实现高能量密度的化学体系?进入一下前面的图,很多都需要改的,正极比容量要提高,负极比能量也要提高,其他方面的改进导电剂、粘接剂、固态电解质都是我们需要研究的一个方向。但是在提高能量密度的方向上正极作用是首要的,基本上占到三分之二的能量密度提升的比例。大家首先要在正极上下功夫,负极也有提高的空间。因为在整个电池的占比还是比较低一点,纯粹提高负极是达不到我们希望的,或者网上宣传的用石墨烯,比容量提高10倍,我觉得这不是真实的。首先是正极,然后才是负极,把这些体系、原料结合起来,才能达到一个综合的300Wh/kg以上的电化学体系。

另外一个锂离子电池大家经常问的技术路线的问题就是是方壳、圆柱还是软包?这是宁德时代的方壳,中间就是特斯拉用的圆柱,右边是我们自己做的软包。这三种电芯的形态我列了一张表,大致估计了一下各个方面,包括安全性、散热性、产品一致性、循环寿命、倍率、一致性、能量密度和电芯成本。金属方壳是一般的、平均的系统,不是有明显优点的系统。从圆柱来讲产品一致性比较高,能量密度也比较高,这是它的两个优点。软包的优点是比较多的,尤其是散热性比较薄、比较大,在乘用车电池包内部的温度非常均匀的,内外的温度比较均匀。另外是安全性,里面没有什么压力的,有压力的时候自己会撑开,而不像金属方壳和圆柱有爆炸的可能性。二是软包能量密度也是比较高的,大家在最后最后一栏,成本上比前两种技术路线稍微高一点,但稍高的原因是软包电池的工艺相对来说稍微复杂一点,但我们将来做成模组和PACK的规模以后,成本稍高的缺点会被掩盖掉,也就是说我们做成软包和圆柱、方壳是一致的。

所以这三种形态基本是三分天下,但有一个趋势,软包电池正在强势回归。为什么呢?前两天韩企的LG化学、SK都不让他们进来了,软包包括日产,等将来解禁以后这些电池厂家是会回来的,他们回来的时候就是软包电池。而且国内主要的电池厂商据我了解也在做软包线,以前为什么没上?可能是工艺方面觉得不是那么有信心,方壳和圆柱相对来说成本低一点,国内方壳、圆柱的比较多。

总结一下,我觉得三种形态是各有优缺点的,未来在高能量密度的乘用车上可能软包和方壳比较多,圆柱可能专用车用得比较多,因为成本相对来说低一些。这就是我今天和大家分享的,有问题我们可以会后讨论,谢谢大家。


(编辑:admin)