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平衡能量密度和安全是電池開(kāi)發(fā)方向

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2019年11月16日  

“2027年全球動(dòng)力電車(chē)出貨量將達(dá)到1萬(wàn)億瓦時(shí),去年出貨量是1060瓦時(shí),2018—2025年在中國(guó)還有5—7倍的上升量。”7月12日,中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高在“創(chuàng)造出行新生活”高峰論壇上指出,動(dòng)力電池的成本隨著規(guī)模的上升還會(huì)持續(xù)下降。


數(shù)據(jù)顯示,鋰離子電池單體能量密度達(dá)到了265瓦時(shí),較2012年提高了2.2倍;價(jià)格從5元到0.8元,下降了80%以上。


電池成本的下降伴隨著電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)。7月10日,中汽協(xié)發(fā)布的2019年上半年汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)數(shù)據(jù)顯示,今年上半年,我國(guó)新能源(5.530,0.03,0.55%)汽車(chē)?yán)塾?jì)完成產(chǎn)銷(xiāo)分別為61.4萬(wàn)輛和61.7萬(wàn)輛,同比分別增長(zhǎng)48.5%和49.6%。其中純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別為49.3萬(wàn)輛和49.0萬(wàn)輛,同比分別增長(zhǎng)57.3%和56.6%,約占新能源汽車(chē)銷(xiāo)量的80%。純電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)也成為中國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)主要驅(qū)動(dòng)力。


同時(shí),隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及,截止到今年6月,全國(guó)共建成充電樁即公共充電樁41萬(wàn),私人充電樁59萬(wàn),充電設(shè)施總量達(dá)到100萬(wàn)部,全國(guó)統(tǒng)一市場(chǎng)基本形成,標(biāo)準(zhǔn)在全國(guó)推廣使用,動(dòng)力電池回收利用體系逐漸成熟。


然而,電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)高速增長(zhǎng)和動(dòng)力電池行業(yè)的快速發(fā)展的同時(shí),頻繁的起火事故也引發(fā)了社會(huì)的廣泛的關(guān)注和討論,也對(duì)行業(yè)發(fā)展帶來(lái)了不良影響。


據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2018年中國(guó)共發(fā)生各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)安全事故52起,今年1到5月共發(fā)生19起電動(dòng)車(chē)起火事故,這些事故有29%是在充電


時(shí)發(fā)生的,有19%是在行駛時(shí)發(fā)生的,還有19%是在停放時(shí)發(fā)生的,另外,截至今年5月,我國(guó)新能源汽車(chē)共召回12.3萬(wàn)輛,其中由于三電故障導(dǎo)致的召回占比50%。在動(dòng)力電池故障中,設(shè)計(jì)原因占到了40%,制造原因占到了60%。


經(jīng)過(guò)十多年的快速發(fā)展,目前動(dòng)力電池已經(jīng)走到了“十字路口”。一方面,新能源汽車(chē)對(duì)動(dòng)力電池的需求巨大;另一方面,動(dòng)力電池企業(yè)也面臨著補(bǔ)貼退坡、“白名單”取消、安全事故頻發(fā)等一系列挑戰(zhàn)。


電池安全放首位


作為電動(dòng)汽車(chē)核心部件的動(dòng)力電池,不僅關(guān)系到主機(jī)廠電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,更與消費(fèi)者的駕車(chē)出行安全息息相關(guān)。“要用成熟安全的電池,發(fā)展安全節(jié)能減排的電動(dòng)汽車(chē)。”7月10日,在首屆中國(guó)國(guó)際電動(dòng)汽車(chē)安全技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)上,中國(guó)工程院院士楊裕生強(qiáng)調(diào)。


在楊裕生看來(lái),電動(dòng)車(chē)頻繁發(fā)生燃燒事故的原因主要有四點(diǎn)。


首先是電池技術(shù)原因,由于鋰離子電池都含有易燃溶劑,因此沒(méi)有絕對(duì)安全的電池。


其次是新能源汽車(chē)發(fā)展路線的原因。國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展長(zhǎng)里程純電動(dòng)車(chē)的發(fā)展路線引發(fā)了里程焦慮、安全焦慮、充電焦慮、價(jià)格焦慮、后續(xù)電池焦慮。楊裕生認(rèn)為,電池組自燃概率除了與電池本性有關(guān)外,還與電池總量成正比,里程越長(zhǎng)需要裝的電池越多,電池


組燃燒概率越高,純電動(dòng)車(chē)追求長(zhǎng)里程的發(fā)展路線,是燒車(chē)頻發(fā)的誘因之一。


此外,國(guó)家的補(bǔ)貼政策與純電動(dòng)里程掛鉤,車(chē)企追求“多裝電池追補(bǔ)貼”,而過(guò)于追求能量密度則誘導(dǎo)企業(yè)追逐高能電池。“雙掛鉤”補(bǔ)貼政策導(dǎo)致電池過(guò)度多裝和急促高能化,從而使得安全性下降。


最后,楊裕生指出,目前電動(dòng)車(chē)發(fā)展抓不住主要矛盾和矛盾的主要面。“現(xiàn)在把里程作為矛盾的主要方面,不顧安全,拼命不斷提高里程要求,安全性作為次要方面,這是頻發(fā)燒車(chē)的思想方法原因,這也是造成發(fā)展路線、政策、技術(shù)發(fā)生問(wèn)題的根源。”


中國(guó)動(dòng)力(24.610,0.73,3.06%)電池創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)、中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施充電聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)王子冬同樣認(rèn)為,新能源汽車(chē)安全事故主要由動(dòng)力電池?zé)崾Э厮穑珶崾Э貎H僅是結(jié)果,熱失控原因錯(cuò)綜復(fù)雜,事故源頭難以明確。


在理論上,電池能量密度與安全性成反比,企業(yè)盲目追求高能量密度,安全問(wèn)題也會(huì)隨之暴露。雖然未能明確已發(fā)生的起火事件與追求能量密度存在多大相關(guān)性,但隨著高鎳三元電池進(jìn)入市場(chǎng),新能源汽車(chē)面臨更高的安全技術(shù)要求。


從安全技術(shù)角度來(lái)看,清華大學(xué)鋰離子實(shí)驗(yàn)室主任何向明認(rèn)為,動(dòng)力電池起火主要原因是產(chǎn)品可靠性不高。


“電池產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證嚴(yán)重不足,測(cè)試周期不足,測(cè)試手段不完善,很多工廠一生產(chǎn)可能馬上就出廠了。”何向明指出,很多電池廠根本不考慮電池這種產(chǎn)品的可靠性,電池在很多人的概念里邊就是實(shí)驗(yàn)室的電池,不是一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品的電池,在整個(gè)研究中行業(yè)中,實(shí)際可靠性的研究非常少。


但目前動(dòng)力電池汽車(chē)起火原因未明,究竟是生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制?還是后期使用中出現(xiàn)的問(wèn)題?抑或是什么樣的場(chǎng)景下出現(xiàn)問(wèn)題?王子冬認(rèn)為,這些問(wèn)題現(xiàn)在都還說(shuō)不清楚。


動(dòng)力電池路線之爭(zhēng)


面對(duì)電動(dòng)汽車(chē)安全問(wèn)題,楊裕生提議用增程技術(shù)解決安全與里程矛盾。具體的技術(shù)路線包括以微小型純電動(dòng)車(chē)為突破口,純電動(dòng)車(chē)微小型,大中型車(chē)發(fā)展純電驅(qū)動(dòng)的增程式。


“微小型純電動(dòng)車(chē)可以用鉛酸電池做低速車(chē),也可以用磷酸鐵鋰電池做高速車(chē);增程式電動(dòng)車(chē)可解純電動(dòng)車(chē)五大焦慮,特別是安全焦慮,市場(chǎng)化最可行。”楊裕生表示。


當(dāng)然,頻繁發(fā)生的電動(dòng)汽車(chē)起火事故也引發(fā)磷酸鐵鋰電池和三元電池的發(fā)展路線之爭(zhēng)。


“磷酸鐵鋰電池和三元電池一直在爭(zhēng),爭(zhēng)奪的就是成本、安全和能量密度。我們必須承認(rèn)電池組是一種很高能物質(zhì)的部件,具有危險(xiǎn)的本質(zhì),說(shuō)這個(gè)電池一點(diǎn)危險(xiǎn)都沒(méi)有,這是不可能的。”王子冬指出,“隨著電池比能量和比功率提高,發(fā)生安全事故的危險(xiǎn)也增大,這是有一定的關(guān)聯(lián)度的,所以我們要選擇一個(gè)平衡的優(yōu)化。”


據(jù)了解,磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)在于安全性高,高倍率充放電特性和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命,但是能量密度不如三元電池;而三元電池能量密度高,一致性好,低溫性好,但是安全性差,循環(huán)壽命不如磷酸鐵鋰電池。


“車(chē)載動(dòng)力電池不僅僅是重量比能量,更重要的是體積比能量,體積比能量才決定了車(chē)真正能跑多遠(yuǎn),從這個(gè)意義上來(lái)看,鋰離子電池是有優(yōu)勢(shì)的。”歐陽(yáng)明高認(rèn)為,固態(tài)鋰離子電池的應(yīng)用還需要再等幾年。


歐陽(yáng)明高指出,隨著補(bǔ)貼的退出,磷酸電池在轎車(chē)市場(chǎng)中的規(guī)模將大幅上升,尤其是以比亞迪(55.350,1.09,2.01%)為代表的整車(chē)企業(yè),將會(huì)以磷酸電池為重點(diǎn),雖然能量偏低一點(diǎn),但是系統(tǒng)比能量差距更大;另外,壽命大概提高一倍,現(xiàn)在已經(jīng)可以將


成本控制在5毛錢(qián)以?xún)?nèi),比三元電池低多了。


“綜合來(lái)看磷酸電池會(huì)大幅回升,但是三元電池仍然是我們的重點(diǎn),未來(lái)需要把安全的平衡點(diǎn)從三元電池的1:1:1,或者5:2:3提升到8:1:1,也就是八元熱電池。”


在未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展方向上,歐陽(yáng)明高建議城市出行發(fā)展小型電動(dòng)車(chē),大中型電動(dòng)車(chē)使用純電型插電式——發(fā)展可以外接充電的混合動(dòng)力,城區(qū)出行選擇純電動(dòng),高速長(zhǎng)途使用單電機(jī)并聯(lián)聯(lián)合混動(dòng)。


在電池工藝上,目前CATL、松下、三星SDI、孚能科技、萬(wàn)向A123、微宏動(dòng)力等鋰電池行業(yè)新舊勢(shì)力計(jì)劃在2022年之后導(dǎo)入疊片工藝的計(jì)劃。蜂巢能源也在7月9日正式推出方形疊片電池,并在動(dòng)力電池技術(shù)路線上,基于NCM三元獨(dú)立發(fā)展四元電池、無(wú)鈷電池、固態(tài)電池等多種路線。


對(duì)于下一代車(chē)規(guī)級(jí)動(dòng)力電池,清華大學(xué)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任盧蘭光直言:“卷繞工藝優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高,層間箍緊力可控,但是由于存在曲率半徑,特別是卷芯的內(nèi)部中心曲率半徑小,導(dǎo)致N/P小,充放電受力不均勻,形變不一致,容易析鋰等問(wèn)題。而疊片工藝正相反,各個(gè)部分受力均勻,不易變形。疊片更加適合形變大的電極材料,有利于保證充放電循環(huán)中形變一致,避免析鋰等問(wèn)題。”


何向明則認(rèn)為下一步研究的重點(diǎn)是想辦法減少電動(dòng)車(chē)燃燒事故的損害。“電池里面有很多化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué),這是目前的一個(gè)空白,我認(rèn)為大家要更關(guān)注,去控制。第二我們講電池的固有安全技術(shù)指標(biāo)特別重要,我們一定要明確目標(biāo),作為電池安全性目標(biāo)是什么,很多企業(yè)沒(méi)有目標(biāo)。”


真鋰研究創(chuàng)始人墨柯認(rèn)為,2025年電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)該能夠突破1600萬(wàn),2030年達(dá)到3500萬(wàn),而目前看來(lái)只有鋰離子電池能擔(dān)此大任,未來(lái)當(dāng)然還有極大可能出現(xiàn)更加高度新型電池技術(shù),但目前沒(méi)有看到。因此如何在目前這樣的技術(shù)水平下,平衡能量密度和安全,是車(chē)企和動(dòng)力電池企業(yè)努力的方向。


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