1月7日下午，由電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)主辦的“把握全球變革趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展”熱點(diǎn)問(wèn)題交流會(huì)清華大學(xué)召開(kāi)。歐陽(yáng)明高院士出席會(huì)議并發(fā)表了題為“2017年動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)”的主旨演講。
以下為發(fā)言全文：
歐陽(yáng)明高：大家好，我沒(méi)有準(zhǔn)備綜合性的發(fā)言，準(zhǔn)備大家提問(wèn)為主，因?yàn)榇蠹宜蕉继岣吡?，都很?huì)提問(wèn)，而且寫(xiě)的東西水平越來(lái)越高了。今天我重點(diǎn)講技術(shù)問(wèn)題，然后大家提問(wèn)，有什么技術(shù)問(wèn)題大家可以提。我講的技術(shù)問(wèn)題一部分是我個(gè)人觀點(diǎn)，一部分是代表“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《新能源汽車(chē)》科技專(zhuān)項(xiàng)總體專(zhuān)家組，今年年會(huì)做報(bào)告我也將代表總體專(zhuān)家組。
技術(shù)問(wèn)題非常多，我現(xiàn)在重點(diǎn)關(guān)注有三個(gè)問(wèn)題：電池、電耗、充電。
第一個(gè)，零部件層面、核心技術(shù)層面我想動(dòng)力電池肯定是關(guān)鍵，燃料電池當(dāng)然也很關(guān)鍵，我現(xiàn)在挑一個(gè)年度進(jìn)展最大的，因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)展太多了。
第二個(gè)，整車(chē)技術(shù)，我今年關(guān)注的不是里程，是電動(dòng)車(chē)的電耗，這是當(dāng)前整車(chē)集成技術(shù)的核心問(wèn)題。我估計(jì)今年年會(huì)也會(huì)講這個(gè)問(wèn)題。
第三個(gè)，從整個(gè)新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用的系統(tǒng)工程來(lái)講，充電技術(shù)正在經(jīng)歷需求大增長(zhǎng)，技術(shù)大發(fā)展的時(shí)期。需要重點(diǎn)關(guān)注。
所以我在百人會(huì)年會(huì)大概會(huì)講這么三個(gè)問(wèn)題，但今天我只挑一個(gè)問(wèn)題，就是純技術(shù)的電池問(wèn)題。
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年的這個(gè)電池。目前新能源汽車(chē)專(zhuān)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，就是說(shuō)我們說(shuō)重大進(jìn)展就是說(shuō)這樣的，不是說(shuō)還不靠譜的，這個(gè)就是我們要報(bào)告給大家的，就是說(shuō)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)代新能源循環(huán)壽命也基本上在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(méi)有完全滿足，寧德時(shí)代安全性也全部通過(guò)。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。我們?nèi)ツ昴甑?、今年年初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(shuō)我們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)際上變的是負(fù)極從碳變成硅碳，到400瓦時(shí)/公斤我們要變的是正極，目前可選的正極有好幾種，現(xiàn)在我們新能源汽車(chē)重點(diǎn)專(zhuān)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2%以?xún)?nèi)，應(yīng)該說(shuō)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(méi)有問(wèn)題的，甚至可能更高。
第三方面，更加前沿的，大家知道是固態(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，也包括寧德時(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)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)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)電池為例來(lái)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，比方說(shuō)“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，所以我們?nèi)Q(chēng)是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。這個(gè)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，就是它的負(fù)極用的是鋰金屬，我們現(xiàn)在負(fù)極大家知道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，大家知道鋰離子電池只出現(xiàn)了25年左右，是日本人發(fā)明的，到現(xiàn)在25年，真正到車(chē)上用就10多年，所以很年輕但是進(jìn)步很快。早期所指的全固態(tài)鋰電池，都是指金屬鋰為負(fù)極的全固態(tài)金屬鋰電池，所以一說(shuō)全固態(tài)往往說(shuō)到這個(gè)，就是說(shuō)全固態(tài)的是以鋰金屬為負(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)，比方說(shuō)安全性高，因?yàn)樗鼪](méi)有有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒問(wèn)題；第二，能量密度高，這個(gè)當(dāng)然要說(shuō)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，他的優(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(méi)有電解液泄漏問(wèn)題，所以它可以一片片全部疊起來(lái)，不像我們非要搞一個(gè)軟包包起來(lái)，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)更寬些，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(guò)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。
但是問(wèn)題也有，第一個(gè)問(wèn)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(chē)上用，它的問(wèn)題就是要加熱，電池要加熱到60度，離子電導(dǎo)率才上來(lái)，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(wèn)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(wèn)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(wèn)題。
第三個(gè)問(wèn)題是金屬鋰的可充性問(wèn)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(wèn)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(wèn)題，就是制造成本偏高。
基于上述問(wèn)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(wèn)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)，就是說(shuō)還有一點(diǎn)液態(tài)，是液態(tài)跟固態(tài)混合的，看混合的比是多大。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(shuō)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)?，F(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)、我國(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)。日本的，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，我們看看豐田干的是什么？豐田做的不是全固態(tài)鋰金屬電池，做的是固態(tài)鋰離子電池，它的負(fù)極是石墨類(lèi)，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V的那種，2022年實(shí)現(xiàn)商品化，這個(gè)是靠譜的。所以在日本，并沒(méi)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(lèi)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(lèi)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(lái)。
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(lèi)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(méi)有看到突破性的進(jìn)展。從原理來(lái)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(lái)是有相當(dāng)難度的。我們乘用車(chē)、轎車(chē)對(duì)體積比能量的要求可能比重量比能量來(lái)的還要重要，雖然說(shuō)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)我們對(duì)轎車(chē)來(lái)講就不大好了。鋰離子電池一般來(lái)講，比方說(shuō)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，應(yīng)該說(shuō)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?xún)纱髥?wèn)題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬負(fù)極電池還沒(méi)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(shuō)出現(xiàn)突破?？傮w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。
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