鋰電池、固態(tài)電池、燃料電池齊頭并進 未來動力電池誰主沉浮？

新能源汽車的保有量不大,但近年來發(fā)展勢頭良好,增長率遠超傳統(tǒng)汽車。作為新能源汽車最核心的部件,動力電池的發(fā)展一直備受關注。目前,鋰電池已深受行業(yè)認可,固態(tài)電池和燃料電池也以更加優(yōu)異的性能被寄予厚望,在動力電池領域,可謂路線多元,同步推進。那么,從全球來看,鋰電池、固態(tài)電池、燃料電池發(fā)展情況如何?未來又將誰主沉浮?

7月19日,在中國汽車技術研究中心有限公司(以下簡稱“中汽中心”)北京工作部舉辦的中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2018)發(fā)布暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會上,多位專家詳細介紹了三種動力電池的全球狀況以及在我國的發(fā)展水平。

鋰電池成本大幅下降

據(jù)了解,近年來歐盟加快了推進節(jié)能減排的計劃,2017年G20漢堡峰會上,除美國之外的19個成員國對于進一步促進節(jié)能減排達成共識,并紛紛制定燃油車禁售時間表,其中最早的將從2025年開始執(zhí)行“禁燃”計劃,最遲的也不會晚于2040年。這也說明,新能源汽車將會迎來更快速的發(fā)展期。

有研究數(shù)據(jù)表明,一輛電動汽車與一輛原型燃油車同樣行駛20萬公里,電動汽車可以減少CO2排放近10萬噸?！斑@是歐洲各國積極推進節(jié)能減排計劃的主要原因。”中汽中心動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究室總監(jiān)方凱正說。

在各國政策的引導下,多家車企加快了發(fā)展電動汽車的步伐。大眾汽車集團表示,至2025年,大眾汽車集團旗下各品牌將推出80款全新的電動車型,銷量也將達到300萬輛。以一輛車安裝50kWh電池計算,這意味著大眾汽車電池需求將達到150GWh。此外,沃爾沃、通用、豐田等汽車企業(yè)都推出了電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略。

另外,去年,第八屆清潔能源部長會議(EVI)發(fā)布了EV30@30運動,為所有EVI成員設定了2030年實現(xiàn)電動車市場份額達到30%的愿景,屆時電動汽車保有量將有可能達到2.2億輛,其中純電動汽車1.3億輛,插電式混合動力汽車0.9億輛。在市場需求帶動下,動力電池的年需求量也將達到2.1TWh,其中中國將占1/3,歐洲與美國合計占28%,日本占3%。屆時輕型乘用車的電池能量將達到70～80kWh?？梢?未來汽車產(chǎn)業(yè)對動力電池的需求量將急劇提升。

目前,在動力電池領域,鋰離子電池已成主流,且隨著技術的發(fā)展,成本已大幅下降,尤其是電池高鎳化的發(fā)展帶來了金屬鈷用量的進一步下降,這讓鋰電池受鈷價上漲波動影響變小?！安捎谩?11體系’之后,鋰電池成本已降至190美元/kWh(約合人民幣1295.88元/kWh),動力電池的成本越來越接近商業(yè)化?！狈絼P正說。

有業(yè)內(nèi)人士向記者透露,現(xiàn)在有些中國企業(yè)已將電池成本控制在了1000元/kWh以下,而動力電池的成本只要達到600元/kWh,就可具備與傳統(tǒng)汽車同等的競爭力。

固態(tài)電池成新競爭點

在鋰離子電池大行其道的當下,鋰離子電池遭遇天花板的觀點也引起廣泛討論,為彌補鋰離子電池技術不足,另一電池形態(tài)成為行業(yè)新一輪競爭熱點,即固態(tài)電池。目前,固態(tài)電池以安全性高、容量大被行業(yè)看好,成為全球動力電池爭奪的制高點之一。最近一段時間,各國在固態(tài)電池上動作頻頻,紛紛加大了研發(fā)力度。

6月15日,日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)宣布,其將與豐田汽車、松下啟動新一代高效電池“全固態(tài)電池”的開發(fā),力爭2022年前確立技術。目前日本幾乎舉全產(chǎn)業(yè)之力投入到固態(tài)電池研發(fā)之中,其中包括23家汽車、電池、材料企業(yè),15家學術機構,包括京都大學、日本理化所等全部加入進來,總計投入100億日元。事實上,這是日本的第二期固態(tài)電池研發(fā)項目,早在2017年5月,日本經(jīng)濟省就宣布出資16億日元,聯(lián)合豐田、松下、GS湯淺等國內(nèi)頂級產(chǎn)業(yè)鏈力量,共同研發(fā)固態(tài)電池,希望2030年實現(xiàn)800公里續(xù)駛里程目標。

韓國也不甘落后,目前,三星SDI、LG化學等都投入到固態(tài)電池的研發(fā)之中。據(jù)外媒報道,三星Note 7手機電池起火嚴重影響了品牌形象,這促使三星加大了固態(tài)電池的研發(fā)力度。據(jù)了解,三星的固態(tài)電池可能最初應用于手機上,下一步將開發(fā)車用動力固態(tài)電池。此外,LG化學也在研究固態(tài)電池,據(jù)稱技術水平與三星不相上下。

而在德國,大眾汽車集團對固態(tài)電池也極為重視。近日,大眾汽車集團宣布向加州初創(chuàng)公司QuantumScape注資1億美元,用于固態(tài)電池的開發(fā)和量產(chǎn)。據(jù)了解,QuantumScape目前已擁有超過200項固態(tài)電池技術專利,計劃2025年研發(fā)出可以量產(chǎn)的固態(tài)電池;寶馬汽車也宣布攜手電池技術公司SolidPower共同研發(fā)全新固態(tài)電池;德國大陸集團前不久表示也在加大固態(tài)電池技術的投資。

對于固態(tài)電池的研發(fā),我國也絲毫沒有松懈。2017年四部委印發(fā)的《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》提出,積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態(tài)電池等新體系電池的研究和工程化開發(fā),2020年單體電池比能量達到400Wh/kg以上、2025年達到500Wh/kg。

目前,國內(nèi)固態(tài)電池技術的研究已經(jīng)取得不小進步。據(jù)了解,中科院已有五個團隊在不同程度上取得突破。中科院化學所郭玉國團隊的聚醚-丙烯酸酯新型雙功能聚合物電解質,可用于室溫固態(tài)金屬鋰電池;中科院寧波材料所許曉雄團隊研發(fā)的無機陶瓷固態(tài)電池正與贛峰鋰業(yè)合作嘗試產(chǎn)業(yè)化;中科院青島生物能源所崔光磊團隊研發(fā)的固態(tài)電池已用于蛟龍?zhí)柹顫撈?完成了馬里亞納海溝的測試;中科院上海硅酸鹽研究所郭向欣團隊研發(fā)出了2Ah級固態(tài)鋰離子電池;中科院物理所李泓團隊推出了10Ah軟包電芯固態(tài)電池。

北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司總經(jīng)理助理向晉說:“目前還沒有企業(yè)展示兼具高能量密度、高安全性的大容量全固態(tài)動力電池。就研發(fā)水平而言,日韓處于領先地位,我國僅有少數(shù)企業(yè)擁有核心技術,競爭日趨激烈?！?/p>

就具體技術而言,目前,法國Batscap-Bollore公司固態(tài)電池能量密度達到了220Wh/Kg,1500次循環(huán)后容量仍超過96%,電池容量為10～30Ah,已成功應用于Autolib四輪小型汽車,保有量達到4000輛;美國Sakti3公司固態(tài)電池產(chǎn)品達到了1000Wh/L,容量為10～50mAh;在日本,豐田的固態(tài)電池達到230Wh/Kg,容量為2.4～15Ah,進入小型平板車試用階段,預計2022年上市;在我國,中科院寧波材料所的固態(tài)電池處于中試階段。中科院青島所的固態(tài)電池達到297Wh/Kg,容量為10Ah,還處于研發(fā)階段。

向晉說:“無論是聚合物還是硫化物固態(tài)電池,都存在技術難題,但固態(tài)電池的安全性明顯優(yōu)于鋰電池,通過使用新技術、新方法解決集流體、側界面、隔膜/電解液等七大問題,可以確保固態(tài)電池的安全?！?/p>

全球來看,目前固態(tài)電池仍處于研發(fā)階段,離商業(yè)化還有一段距離,在向晉看來,固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化需要滿足多個技術條件:整個系統(tǒng)僅含5～10個大電芯、電芯電壓達到48～60V、電芯容量達到100～200Ah、系統(tǒng)重量比能量超過300Wh/Kg、系統(tǒng)體積比能量超過500Wh/L、整車續(xù)駛里程超過600公里、系統(tǒng)成本達到0.5～1.0元/Wh等。

燃料電池仍待技術突圍

與電動汽車發(fā)展同步推進的還有燃料電池汽車,近年來,我國加快了燃料電池汽車的發(fā)展步伐,并提供了一系列政策支持。在這一過程中,燃料電池的研發(fā)也是備受關注。

在國家政策的支持下,多次承擔國家燃料電池重大項目的大連新源動力股份有限公司已經(jīng)取得不少成果,該公司副總工程師邢丹敏介紹,新源公司已研發(fā)成功第二代系統(tǒng)FCS200,功率為30～60kW,工作溫度為-10～70℃,工作壽命為5000小時;正在研發(fā)的第三代系統(tǒng)FCS300,功率達到80～100kW,工作溫度為-30～70℃,工作壽命為5000小時。

另外,新源公司的電堆門類較齊全,成品涉及乘用車、商用車電堆領域。最新研制的MOD400電堆,采用金屬雙極工藝,有效解決了高低電流密度區(qū)的水平衡問題,伏安性能與日本豐田Mirai電堆接近。在耐久性方面,新源公司也掌握了自己的一套方法,從最初的1000小時,到現(xiàn)在突破5000小時,下一步還將爭取達到1萬小時。邢丹敏說:“燃料電池汽車的示范運行是‘十一五’時期的主要目標,‘十三五’時期的指標更加細致。60kW車用燃料電堆功率密度將達到2.0kW/L,壽命達到5000小時,低溫啟動在-20℃左右;100kW的車用燃料電堆功率密度將達到3.1kW/L,壽命長達5000小時,低溫啟動在-30℃左右?！?/p>

不過,不得不承認的是,目前,我國燃料電池與國際先進水平還有一定差距,輸出功率方面,國內(nèi)水平是60kW,國際水平為110kW;電流密度方面,國內(nèi)是2.0kW/L,國際則是大于3.0kW/L;金屬鉑(Pt)用量上,國內(nèi)是0.4g/kW,國際是0.2g/kW;其他方面,國內(nèi)水平與國際先進水平齊頭并進。