歐陽(yáng)明高：2017年動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

一、國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池的主要技術(shù)進(jìn)展

第一方面，面向 300 瓦時(shí)/公斤的電池，也就是 2020 年的電池。目前新能源汽車專項(xiàng)里面有三個(gè)團(tuán)隊(duì)，一個(gè)是寧德時(shí)代新能源、一個(gè)是天津力神、一個(gè)是合肥國(guó)軒。這三個(gè)團(tuán)隊(duì)目前基本上采用的技術(shù)路線大同小異，正極是高鎳三元，負(fù)極是硅碳負(fù)極， 這個(gè)電池目前技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)接近應(yīng)用要求，也就是說 2020 年要

產(chǎn)業(yè)化的 300 瓦時(shí)/公斤的電池取得了實(shí)質(zhì)性突破?，F(xiàn)在從比能量角度都已經(jīng)達(dá)到，像寧德時(shí)代新能源的產(chǎn)品循環(huán)壽命基本上在

1000 次左右，能量密度達(dá)到 304 瓦時(shí)/公斤，其他兩家也差不多。當(dāng)然還有部分企業(yè)安全性標(biāo)準(zhǔn)還沒有完全滿足。300 瓦時(shí)/公斤的單體大概能做出 200-210 瓦時(shí)/公斤的電池系統(tǒng)，因?yàn)樗麄兓旧鲜擒洶姵?，不是方形電池?017 年底、2018 年初電池能量密度單體大概達(dá)到 230 瓦時(shí)/公斤左右，系統(tǒng)大約 150 瓦時(shí)/ 公斤左右。就是說在 2018、2019 年還需要再提高 50—70 瓦時(shí)/ 公斤.這個(gè)我認(rèn)為是可以做到的。至于 350 瓦時(shí)/公斤、260 瓦時(shí)/公斤是我們力爭(zhēng)的目標(biāo)。

第二方面，面向 2025 年產(chǎn)業(yè)化，希望沖擊單體電池 400 瓦時(shí)/公斤。300 瓦時(shí)/公斤實(shí)際上是負(fù)極從碳變成硅碳，到 400 瓦時(shí)/公斤時(shí)要變的是正極。目前可選的正極有好幾種，現(xiàn)在我們新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料。有兩個(gè)單位承擔(dān)了前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目，一個(gè)是物理所，改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減。達(dá)到的指標(biāo)是 100 周之后電壓衰減降到了 以內(nèi)，這是一個(gè)重大的進(jìn)展。另外一個(gè)是北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，首次研制出了比容量 400 毫安時(shí)/克的富鋰錳基正極，對(duì)于400 瓦時(shí)/公斤應(yīng)該是沒有問題的，甚至可能達(dá)到更高。第三方面，更加前沿的，是固態(tài)電池。固態(tài)電池國(guó)內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位在做，包括中科院青島能源所、寧波材料所， 物理所等，還有寧德時(shí)代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作，正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，計(jì)劃 2019 年量產(chǎn)。固態(tài)電池?zé)o疑是 2017 年全球電池領(lǐng)域最熱的一個(gè)技術(shù)名詞，所以下面我以固態(tài)電池為例，介紹全球動(dòng)力電池技術(shù)熱點(diǎn)。

二、全球電池技術(shù)熱點(diǎn)：全固態(tài)電池技術(shù)

全固態(tài)鋰電池，這幾個(gè)詞每一個(gè)字都不能少、不能變。“全固態(tài)”跟“固態(tài)”是不一樣的，“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個(gè)概念。所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)、不含任何液態(tài)組份的鋰電池，所以全稱是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。全固態(tài)鋰電池又分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，一次電池其實(shí)已經(jīng)有用的。全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池， 這兩個(gè)概念又要區(qū)別，所謂全固態(tài)金屬鋰電池，是其負(fù)極用的是鋰金屬，現(xiàn)在的負(fù)極用的是碳或者硅碳或者鈦酸鋰。

全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)的更早，鋰離子電池 只出現(xiàn)了25 年左右，是日本人發(fā)明的，真正到車上用就10 多年， 很年輕但是進(jìn)步很快。早期指的全固態(tài)鋰電池，都是指金屬鋰為負(fù)極的全固態(tài)金屬鋰電池，一說全固態(tài)往往是以鋰金屬為負(fù)極的， 這就是以前的概念。全固態(tài)鋰電池有幾個(gè)潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，一是安全性高，因?yàn)樗鼪]有有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒 問題；二是能量密度高，需要說明的是，固態(tài)電解質(zhì)的密度和使 用量高于液態(tài)電解質(zhì)，在正負(fù)極材料相同的時(shí)候，它的優(yōu)勢(shì)是不 明顯的，當(dāng)然如果有了固態(tài)電解質(zhì)之后就沒有電解液泄漏問題，所以它可以一片片全部疊起來，不像我們非要搞一個(gè)軟包包起來，這樣體積比能量就會(huì)高。第三，正極材料選擇的范圍寬，因?yàn)樨?fù) 極是鋰金屬，正極不含鋰都可以。還有，電解質(zhì)的電壓窗口會(huì)更 寬， 正極材料選擇范圍也就大，比能量也可以提高；第四，系統(tǒng) 比能量高，由于電解質(zhì)無(wú)流動(dòng)性，可以方便地通過內(nèi)串聯(lián)組成高 電壓?jiǎn)误w，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。

但是也存在一些問題。第一個(gè)問題是固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低?，F(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì)，一種是聚合物，一種是氧化物，一種是硫化物。聚合物電解質(zhì)這種，其實(shí)這個(gè)電池已經(jīng)有了，現(xiàn)在在法國(guó)有些車上用，它的問題就是要加熱，電池要加熱到 60 度，離子電導(dǎo)率才上來，電池才能正常工作。目前氧化物電解質(zhì)一般比液態(tài)的還是要低很多。只有硫化物的固態(tài)電解質(zhì)現(xiàn)在跟液態(tài)的差不多，比如豐田就是用的這種硫化物的固態(tài)電解質(zhì)，所以固態(tài)電解質(zhì)是有突破的，主要的突破是在硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。

第二個(gè)問題就是固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差。液體跟固體結(jié)合是很容易的，滲透進(jìn)去。但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就不是太好了，這是它很大的一個(gè)問題。硫化物電解質(zhì)雖然鋰離子導(dǎo)電率已經(jīng)提高了，但是仍然有界面接觸性和穩(wěn)定性問題。

第三個(gè)問題是金屬鋰的可充性問題。在固態(tài)電解質(zhì)中，鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長(zhǎng)問題。其循環(huán)性，甚至安全性等還需要研究。

當(dāng)然還有一個(gè)問題，就是制造成本偏高。

基于上述問題，特別是固態(tài)界面接觸性/穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然還是不成熟的，還存在技術(shù)不確定性。目前展現(xiàn)出的或者有突破的， 有性能優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。

固態(tài)鋰離子電池跟全固態(tài)鋰電池有什么區(qū)別？固態(tài)電池不一定是全都是固態(tài)電解質(zhì)，還有一點(diǎn)液態(tài)，是液態(tài)跟固態(tài)混合的， 看混合的比例是多大。真正的固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)， 但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì)；所謂半固態(tài)，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的，所以還有準(zhǔn)固態(tài)的，就是主要為固態(tài)、少量是液態(tài)。

關(guān)于固態(tài)鋰電池國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)。現(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)都在投入。各個(gè)國(guó)家心態(tài)不太一樣。例如美國(guó)，以小公司、創(chuàng)業(yè)型公司為主。美國(guó)有兩家公司還是不錯(cuò)的，都是初創(chuàng)公司，一個(gè)是 S-akit3，續(xù)駛里程能到 500 公里， 現(xiàn)在還處于初級(jí)階段。還有一個(gè) Solid—State，還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。因此美國(guó)主要是小公司、創(chuàng)業(yè)公司干，立足于顛覆性技術(shù)。日本基本上是固態(tài)鋰離子電池，最著名的豐田，將在 2022 年實(shí)現(xiàn)商品化。豐田做的不是全固態(tài)鋰金屬電池，而是固態(tài)鋰離子電池。它的負(fù)極是石墨類，硫化物電解質(zhì)， 高電壓正極，單體電池容量 15 安時(shí)，電壓是十幾伏的那種，2022 年實(shí)現(xiàn)商品化是靠譜的。所以在日本，并沒有顛覆，還是鋰離子電池，正負(fù)極還可以用以前的。韓國(guó)也是石墨類負(fù)極，并不是金屬鋰負(fù)極，跟日本差不多。中、日、韓的情況是類似的，因?yàn)槲覀円呀?jīng)有了很大的鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈，不希望推倒重來。

三、綜合評(píng)述與展望

第一，鋰離子動(dòng)力電池有望于2020年前實(shí)現(xiàn)300 瓦時(shí)/公斤目標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強(qiáng)。這種電池的核心是安全性。

第二，作為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期目標(biāo)的兩類新體系，鋰硫、鋰空氣電池方面，目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)展相對(duì)緩慢，2017 年沒有看到突破性的進(jìn)展。從原理來講，鋰硫電池的重量比能量跟體積比能量基本相當(dāng)， 所以它的體積比能量要提上來是有相當(dāng)難度的。乘用車、轎車對(duì)體積比能量的要求可能比重量比能量還要重要，雖然說有每公斤400 瓦時(shí)/公斤，體積比能量也只有 400 瓦時(shí)/升，這個(gè)對(duì)轎車來講就不大好了。鋰離子電池一般來講，比方說重量比能量 300， 體積比能量比如 300 瓦時(shí)/公斤，就可以達(dá)到 600 瓦時(shí)/升。鋰空氣電池集合了鋅空電池、氫燃料電池、鋰二次電池的所有難點(diǎn)。相比而言氫燃料電池更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

第三，固態(tài)電池的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，但受到固/固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性兩大問題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬負(fù)極電池還沒有成熟，但是以無(wú)機(jī)硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池應(yīng)該說出現(xiàn)突破。總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，會(huì)是從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，我們現(xiàn)在正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。

第四，在高容量富鋰正極材料方面，我國(guó) 2017 年取得了一些突破，基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負(fù)極的革新型鋰離子電池比鋰硫和鋰-空電池更具可行性。這是我們一個(gè)綜合評(píng)估。根據(jù)上面的進(jìn)展分析，我們專家組對(duì)技術(shù)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)判斷做了一次優(yōu)化迭代（不作為國(guó)家電池技術(shù)路線圖的依據(jù)，僅供參考），具體如下：

2020 年，比能量 300 瓦時(shí)/公斤、比功率 1000 瓦時(shí)/公斤，循環(huán) 1000 次以上，成本 0.8 元/瓦時(shí)以內(nèi)，這個(gè)是確定的，這個(gè)所對(duì)應(yīng)的材料是什么呢？高鎳三元。大家知道我們現(xiàn)在國(guó)內(nèi)正在從鎳：鈷：錳比例 3：3：3 轉(zhuǎn)向 6：2：2，就是高鎳，鎳變成 6， 再轉(zhuǎn)變到 8：1：1，鎳變成 8，鈷進(jìn)一步降到 1，甚至鈷進(jìn)一步降到 0.5。負(fù)極要從碳負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型。這是我們當(dāng)前的技術(shù)變革。

到 2025 年，正極材料方面進(jìn)一步提升性能，比如說我們今年取得重要突破的富鋰錳基材料，當(dāng)然還會(huì)有其他材料。我們2020—2025 年，從 300 瓦時(shí)/公斤—400 瓦時(shí)/公斤，每瓦時(shí)成本從 8 毛錢以內(nèi)到 6 毛錢以內(nèi)。這個(gè)時(shí)候我們一般的性價(jià)比的純電動(dòng)轎車合理的里程 300—400 公里。

到 2030 年，希望在電解質(zhì)方面取得突破，也就是 2025—2030 年最大的突破可能在電解質(zhì)，就是固態(tài)電池會(huì)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊 500 瓦時(shí)/公斤。2030 年，常規(guī)的性價(jià)比車型應(yīng)該可以達(dá)到 500 公里以上。當(dāng)然需要其它技術(shù)的配合。如果電耗極大，例如冬天百公里三四十度電，電池好也不行?，F(xiàn)在電動(dòng)車越做越大，例如大SUV，車子重、風(fēng)阻系數(shù)大，是一個(gè)值得改進(jìn)的問題。