中國電科肖成偉：動力電池技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

對動力電池而言，需要具有高的能量密度、功率密度、安全性、長的循環(huán)壽命、快速充電和低成本等等要求。

9月4日-6日，由中國汽車技術(shù)研究中心有限公司、中國汽車工程學(xué)會、中國汽車工業(yè)協(xié)會以及中國汽車報(bào)社共同主辦的第十六屆中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展(泰達(dá))國際論壇隆重召開。9月6日，在以“動力電池競爭格局之變”為主題的第一會場中，中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研究員肖成偉發(fā)表了精彩演講。

以下內(nèi)容為現(xiàn)場演講實(shí)錄：

各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位同仁，大家好，感謝主辦方的邀請參加本次泰達(dá)論壇。我是中國電科十八所的肖成偉，我報(bào)告的題目是《車用電池技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》，包括六個(gè)方面。

新能源汽車的發(fā)展概況

汽車產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入百年未遇的大變革時(shí)代，汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型正在加速。世界主要汽車強(qiáng)國，像美國、歐盟、德國和日本等這些國家和地區(qū)均發(fā)布了新能源汽車相關(guān)的發(fā)展戰(zhàn)略和目標(biāo)。許多國家和地區(qū)發(fā)布了燃油車禁售的時(shí)間表，一些汽車企業(yè)發(fā)布了傳統(tǒng)燃油車停售的時(shí)間和相關(guān)的停售計(jì)劃。

國際能源署發(fā)布的《2019全球電動汽車展望》中，預(yù)期到2030年，全球新能源汽車保有量將達(dá)到2.5億輛左右。中國政府發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，到2025年，新能源汽車新車銷量占比將達(dá)到20%以上。

在中國政府的大力支持下，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。截至2019年，新能源汽車保有量達(dá)到419萬輛。2019年，新能源汽車銷量達(dá)到了120.6萬輛，占2019年汽車總銷量的比例達(dá)到了4.68%。從2015年起，中國新能源汽車銷量占全球新能源汽車總銷量的比例均超過了50%。

這張表列出了中國2020-2035年的新能源汽車市場目標(biāo)。2025年，新能源汽車年銷量將達(dá)到500萬輛，2030年達(dá)到1500萬輛，2035年達(dá)到2000萬輛。今年受疫情的影響，新能源汽車的銷量預(yù)計(jì)在100萬輛左右的水平，較2019年有所下滑，但到2020年底，總的保有量達(dá)到500萬輛的國家目標(biāo)現(xiàn)在看來完成是沒有問題的。

動力電池國內(nèi)外的規(guī)劃情況

動力電池作為新能源汽車的核心部件，是汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐，也是汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型國際競爭的必爭之地，相關(guān)汽車強(qiáng)國均制定了動力電池相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃。

消費(fèi)者對新能源汽車有哪些期望呢?他希望新能源汽車的續(xù)駛里程要長，使用壽命要長，安全可靠性要高，充電時(shí)間要短等等，新能源汽車的性能就可以跟常規(guī)的燃油車相媲美。對動力電池而言，需要具有高的能量密度、功率密度、安全性、長的循環(huán)壽命、快速充電和低成本等等要求。

從目前實(shí)用化的電池體系來看，鋰離子電池可以比較好地滿足化新能源汽車對動力電池的性能指標(biāo)的一些相關(guān)要求。

從國外的一些國家和地區(qū)電池的發(fā)展規(guī)劃來看，像歐盟、日本、美國、德國制定了國家級動力電池規(guī)劃，從這些規(guī)劃我們可以看到主要涉及到三個(gè)層面的內(nèi)容：第一是實(shí)用化的鋰離子電池，第二是高性能化的鋰離子電池，第三就是新體系電池。國外的規(guī)劃基本上涉及到這三個(gè)層次的內(nèi)容。同樣，中國新能源汽車相關(guān)規(guī)劃涉及到動力電池的內(nèi)容也包括了上述的三個(gè)層次。像實(shí)用化的鋰離子電池，能量密度要做到300瓦時(shí)/公斤，高性能化的鋰離子電池能量密度要做到400瓦時(shí)/公斤，新體系電池能量密度要做到500瓦時(shí)/公斤。

現(xiàn)在正在制定2.0版的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖，2.0版的技術(shù)路線圖包括一個(gè)總路線圖和九個(gè)分路線圖，動力電池是其中一個(gè)非常關(guān)鍵的分路線圖。

2.0版的動力電池分路線圖跟1.0版有什么區(qū)別呢?從技術(shù)方向和應(yīng)用的領(lǐng)域我們可以看一下，1.0版電池分為能量型和能量功率兼顧型兩類，應(yīng)用于乘用車的市場。而2.0版電池的種類進(jìn)行了一個(gè)擴(kuò)展，涉及到能量型、能量功率兼顧型和功率型三大技術(shù)類別，同時(shí)它的應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)行了擴(kuò)展，包括乘用車和商用車這兩大應(yīng)用領(lǐng)域都在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了動力電池產(chǎn)業(yè)鏈的全覆蓋，包括關(guān)鍵材料、動力電池、電池系統(tǒng)集成、新體系電池、測試評價(jià)、生產(chǎn)裝備、資源回收和梯級利用。

動力電池的技術(shù)進(jìn)展和相關(guān)發(fā)展趨勢

在國家四個(gè)五年計(jì)劃的大力支持下，動力電池及其關(guān)鍵材料技術(shù)有了長足的進(jìn)步。動力電池能量密度逐年在提升，高比能的動力電池是國家重點(diǎn)支持的研究方向。

再看一下在國家的支持下，哪些材料體系的電池實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的電池體系負(fù)極主要是以石墨為主，隔膜以表面改性的聚乙烯和聚丙烯為主。電解質(zhì)鹽是采用六氟磷酸鋰，正極主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料。其中磷酸鐵鋰電池的能量密度基本上做到170-190瓦時(shí)/公斤的水平。錳酸鋰通常與三元材料混合，它的成本會比較低一些，電池的能量密度大致在180瓦時(shí)/公斤的水平，主要應(yīng)用于物流車的市場。三元材料電池中，高鎳材料電池的能量密度最高，523中鎳材料電池相對高鎳而言安全性更好一些，成本也更低一些，目前這類電池在乘用車領(lǐng)域配套量是最大的。

磷酸鐵鋰，它的安全性好、循環(huán)壽命長，目前是大巴車領(lǐng)域的首選產(chǎn)品，配套量最大。國內(nèi)主要電池企業(yè)像比亞迪、寧德時(shí)代等等都開發(fā)了大容量的鐵鋰電池產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；涮?。

三元高比能電池的能量密度達(dá)到了230±30瓦時(shí)/公斤的水平。由于能量密度高，主要應(yīng)用在乘用車市場和領(lǐng)域里，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；膽?yīng)用。電池的封裝形式，像圓柱形的、方形的軟包電池都實(shí)現(xiàn)了比較好的應(yīng)用。

目前鋰離子電池的快充技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，在大巴車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，開發(fā)的快充電池能量密度達(dá)到了120瓦時(shí)/公斤，可以在15分鐘內(nèi)將電池的容量充到80%，也就是說它的充電能力可以達(dá)到4C的技術(shù)水平。

從動力電池整個(gè)配套的情況來看，三元材料鋰電池2019年的市場份額達(dá)到了65%，磷酸鐵鋰的市場份額是32%，乘用車是動力電池主要的應(yīng)用領(lǐng)域。從電池系統(tǒng)的指標(biāo)來看，電池系統(tǒng)能量密度2018年普遍達(dá)到了120瓦時(shí)/公斤以上，2019年普遍達(dá)到了140瓦時(shí)/公斤以上。

從電池發(fā)展的趨勢來看，中期，通過在高電壓電解液、薄型的涂層隔膜、硅碳負(fù)極以及高鎳正極、負(fù)鋰正極和高電壓正極等等方面開展研究工作，磷酸鐵鋰的能量密度可以達(dá)到200-220瓦時(shí)/公斤的水平，磷酸鐵鋰的能量密度還可以在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步提升。高鎳材料電池的能量密度可以做到300瓦時(shí)/公斤，負(fù)鋰材料電池的能量密度可以做到400瓦時(shí)/公斤，同時(shí)固液混合電解質(zhì)的鋰離子電池也是重點(diǎn)發(fā)展的方向。

像寧德時(shí)代、天津力神、合肥國軒等等這些電池企業(yè)采用高鎳的三元正極和硅碳負(fù)極開發(fā)了300瓦時(shí)/公斤的軟包裝電池，取得了比較好的技術(shù)進(jìn)展。比亞迪采用高鎳三元和石墨負(fù)極開發(fā)了270瓦時(shí)/公斤的方形電池，也取得了比較好的技術(shù)進(jìn)展。力神和孚能采用高鎳三元正極和石墨負(fù)極，開發(fā)了290瓦時(shí)/公斤的軟包裝電池，展示了良好的循環(huán)性能。北京大學(xué)研制出比容量達(dá)到400毫安時(shí)/克的新型負(fù)鋰錳基的正極材料以及高比容量的硅碳負(fù)極材料，為400瓦時(shí)/公斤的新型高比能電池的研究奠定了比較好的基礎(chǔ)。

固液混合電解質(zhì)的鋰離子電池在循環(huán)壽命和安全性方面展示了較好的技術(shù)進(jìn)展，1000次循環(huán)容量保持率現(xiàn)在可以做到90%以上，通過了針刺、短路、擠壓、過充、過放和熱沖擊等等安全性測試項(xiàng)目。

從長期來看，主要還是要開展新體系電池的基礎(chǔ)性研究工作，包括鋰空氣、鋰硫、全固態(tài)電池等新體系電池的研究。目前實(shí)驗(yàn)室階段，鋰空氣電池能量密度可以做到700瓦時(shí)/公斤，鋰硫電池的能量密度可以做到500瓦時(shí)/公斤，固態(tài)電池的能量密度可以做到300瓦時(shí)/公斤。下一步，需要進(jìn)一步提升它們的循環(huán)性能、倍率性能，包括體積能量密度等技術(shù)相關(guān)方面的研究內(nèi)容。

目前，動力電池主要在國內(nèi)有四大產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，包括珠三角、長三角、京津和中原地區(qū)，形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，動力電池的配套量逐年在提升。2019年動力電池的配套量達(dá)到了62.6個(gè)GWh。從電池企業(yè)的數(shù)量來看，2019年由頂峰時(shí)的144家降低為80家左右的水平，目前整個(gè)電池行業(yè)的產(chǎn)能規(guī)模超過了4000億瓦時(shí)，但是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品現(xiàn)在還處于一個(gè)供不應(yīng)求的局面。

電池的安全性技術(shù)

隨著新能源汽車保有量不斷增長，著火等安全事故呈現(xiàn)多發(fā)的態(tài)勢。從初步統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來看，充電過程中和無事故，這種無事故指的是無任何癥狀下新能源汽車發(fā)生安全事故，這兩類是新能源汽車安全事故的主要原因。

在無事故癥狀情況下發(fā)生安全事故的比例高，通過前面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們可以看到是這樣一個(gè)情況，需要我們從動力電池全鏈條的角度來進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的控制，包括材料、電芯制造、系統(tǒng)集成、實(shí)際使用、測試驗(yàn)證和安全監(jiān)控。

我們通過智能制造，來提升動力電池的品質(zhì)，包括它的一致性、安全可靠性和安全性等等。我們也要從電池材料，電池系統(tǒng)，三個(gè)層次來加強(qiáng)全生命周期、全工況條件下安全可靠性的測試驗(yàn)證工作。還要從電池級、企業(yè)級、國家級三級安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)開展安全監(jiān)控工作，通過大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并提出預(yù)警方案，及時(shí)采取措施，比如像更換電池，電池管理系統(tǒng)參數(shù)閾值的一些調(diào)整等等，這些方面我們也要做大量工作。

當(dāng)前幾個(gè)電池技術(shù)創(chuàng)新的熱點(diǎn)

這是比亞迪開發(fā)的刀片電池技術(shù)，通過刀片電池技術(shù)提高了電極內(nèi)部的體積利用率和電池系統(tǒng)的體積利用率。寧德時(shí)代開發(fā)的CTP技術(shù)、天津捷威開發(fā)的大模組技術(shù)，這些技術(shù)提高了電池系統(tǒng)的體積利用率，從而也提高了電池系統(tǒng)的能量密度。就是說我們在一定的體積空間內(nèi)可以多裝一些電池，在體積利用率提高的情況下，我們可以把電池的能量密度做進(jìn)一步提升。

當(dāng)然我們在CTP和大模組技術(shù)方面，還需要在以下幾方面加強(qiáng)研究工作：第一是加強(qiáng)長模組、熱擴(kuò)散的考核驗(yàn)證工作。二是提升CTP，或者說大模組里面電池的單體維修和更換的便利性，這方面也要做比較多的工作。第三是我們要研究車型適配的廣泛性，對CTP和大模組技術(shù)進(jìn)行比較好的拓展應(yīng)用。

無鈷電池可以降低對鈷元素的依賴度，將來有望降低電池的制造成本。蜂巢開發(fā)的無鈷電池能量密度已經(jīng)達(dá)到了240瓦時(shí)/公斤，綜合性能看起來還是比較不錯(cuò)的。

針對安全事故頻發(fā)的態(tài)勢，電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散測試方法和它的相應(yīng)測試規(guī)程現(xiàn)在還是急需開展深入的研究工作，如何實(shí)現(xiàn)熱失控觸發(fā)的可重復(fù)性和熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，目前是世界級的難題，整車企業(yè)和電池企業(yè)對這方面的內(nèi)容非常關(guān)注，在人力、物力、財(cái)力方面投入是很大的，現(xiàn)在也在開展比較深入的研究工作。

隨著新能源汽車保有量的快速增長，新能源汽車使用年限到期后，需要開展退役電池的梯級利用和資源回收。從目前的情況來看，磷酸鐵鋰主要是進(jìn)行梯級利用，資源回收的價(jià)值還是比較低的，三元電池主要進(jìn)行資源回收，現(xiàn)在梯級利用的還比較少。隨著動力電池制造水平的提升和退役電池?cái)?shù)量的增大，兩類電池的梯級利用和資源回收技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性均可以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)動力電池全生命周期的可持續(xù)循環(huán)發(fā)展。

動力電池行業(yè)需要重視的幾個(gè)問題

第一個(gè)，我們一定要把安全性放在首位，包括從設(shè)計(jì)的角度，從考核驗(yàn)證的角度，從應(yīng)用的角度，我們把安全性要放在首位，去做一個(gè)比較充分的考慮。第二是通過數(shù)字化工廠的使用，來提高動力電池的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的品質(zhì)，CPK值我們力爭要達(dá)到2.0以上。第三個(gè)是提升電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)的能力和水平，像電池的熱管理技術(shù)、熱擴(kuò)散的防控技術(shù)和電池系統(tǒng)高電壓技術(shù)，我們都要做相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)。第四個(gè)是提升電池和電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，來加強(qiáng)尤其是動力電池系統(tǒng)的全生命周期的考核和驗(yàn)證。在這個(gè)驗(yàn)證里面，是以安全可靠性作為重點(diǎn)，同時(shí)在循環(huán)耐久和環(huán)境適應(yīng)性方面也要加強(qiáng)。最后一點(diǎn)，是加強(qiáng)新材料和新體系電池的基礎(chǔ)研究工作，像固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空氣電池，從基礎(chǔ)研究方面要開展深入的工作。

我的報(bào)告就講到這里，請大家多提寶貴意見，謝謝!

(注：本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱)