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梳理演进史、展望新十年,动力电池新技术革命潜滋暗长

 对我国动力电池职业而言,已落下帷幕的2020年或许是一个节点。曩昔10年,我国新动力轿车工业取得了长足开展,完成了从方针驱意向商场驱动的改动,在其背面则是整车中心零部件——动力电池功能的不断向上求索。


 

“一代正极资料,一代动力电池”,从锰酸锂到磷酸铁锂和三元锂,动力电池职业从未中止技能立异的脚步。在新动力轿车工业进入新开展阶段的当下,动力电池的技能立异也正在揭开新的篇章。下一代动力电池,正在从底子的资料方面寻求打破。毫无疑问,未来10年将是动力电池产生底子性技能革新的10年。






锂电池是电动化中坚力量




石墨作为负极,过渡金属的氧化物资料作为正极,再加上正负极之间的液体电解液组成了锂离子电池。“曩昔是锂离子电池支撑了新动力轿车的开展。”我国科学院物理研讨所研讨员黄学杰在我国电动轿车百人会论坛(2021)上如此表明。新动力轿车工业开展至今,一代代锂离子电池成为了中坚力量。

 

作为“陈旧”的第一代正极资料,锰酸锂已逐步退出轿车的历史舞台。黄学杰介绍道,锰酸锂电池从初次被报导至今曩昔了三十多年,得益于锰酸锂的低本钱、高安全和环境适应性,配装锰酸锂电池的日产聆风全球累计销量已打破50万辆。不过,因为第一代动力电池的比能量较低,后来便逐步被磷酸铁锂和三元锂电池所替代。现在,第一代动力电池仍旧在电动两轮车、电动三轮车上释放着自己的生命力。


 

在黄学杰看来,磷酸铁锂电池为我国新动力轿车工业的开展做出了重要贡献,之后也将为储能工业的开展做出重要贡献。磷酸铁锂电池虽在长寿数和高安全性方面优势显着,但一起也具有电压低、资料密度低、比能量低的缺乏。不过,近年来,磷酸铁锂电池的能量密度得到大幅提高。经过优化电池和电池组以及PACK规划,比亚迪配装磷酸铁锂电池的电动车型续驶路程可达600公里。今年年初,国轩高科发布了磷酸铁锂电池芯片,单体电池比能量可达210Wh/kg,2022年的方针是230Wh/kg。记者了解到,2020年,我国动力电池装机量累计为63.6GWh,磷酸铁锂电池装机量累计为24.4GWh,占总装机量的38.3%。

 

现在,占有动力电池干流技能道路的则是三元锂电池。三元锂电池因为高比能量的优势,遭到高端乘用车型的喜爱。现在头部企业已在出产、出售300Wh/kg的三元锂电池,车辆续驶路程可达700公里以上。不过,三元锂电池的安全性问题也让其开展遇到了必定的瓶颈。

 





资料和结构立异从未中止




跟着新动力轿车工业的开展,动力电池在资料和结构方面的立异也在不断推进。为了在能量密度、安全、寿数、快充等方面寻觅平衡,职业一直在针对第三代液态锂离子电池的资料和结构进行立异。我国科学院院士欧阳明高指出,动力电池体系结构立异,辅以单体资料改善,成为近年来我国动力电池技能立异的鲜明特征。

 

关于正极资料来讲,现在三元锂电池在往“减钴加镍”的方向开展。黄学杰以为,往后三元锂电池提高能量密度的大方向不变,条件是要削减钴的份额和用量,逐步脱节对贵金属的依靠。关于磷酸铁锂来讲,正极的开展方向则是尖晶石镍锰酸锂。磷酸铁锂的正极资料得到改动后,最直观的优点便是可将电压从均匀3.4V提高到均匀3.7V。据悉,现在磷酸铁锂动力电池的性价比最优,单体电池本钱已下降至低于0.5元/Wh。在规划扩展之后,磷酸铁锂电池的本钱还能够进一步下降。


 

记者还了解到,在三元锂电池能量密度不断提高的一起,要从现有的分量比能量(Wh/kg),进一步考量体积比能量(Wh/L),以满意在有限空间内安置电池的实践需求。“电动轿车开展到今日,关于乘用车和商用车来讲,更重要的不是减重,而是缩小电池体积。”黄学杰表明,职业更应重视动力电池的体积能量密度,而非比能量密度。

 

跟着资料的改动,动力电池职业也逐步呈现了许多“热词”。针对“无钴”的争议,黄学杰指出,无钴正极有两层意思,一是指磷酸铁锂、镍锰酸锂这类彻底无钴的资料,一是说钴含量低于1%。此前,广汽集团也发布公告解说了新露脸的两项动力电池技能。石墨烯基超级快充电池与长续航硅负极电池是两种不同的技能,别离处理“充电速度慢”、“续驶路程短”这两个动力电池运用中的不同“痛点”。其间,石墨烯基超级快充电池已按方案进入实车测验阶段,估计年内初次配装现有AION V车型;硅负极电池也已按方案进入实车测验阶段,估计年内初次配装现有AION LX车型。

 

现在,第三代传统液态锂电池也已在动力电池商场运用整整10年,但其热失控、低温衰减等问题却一直未被彻底处理,安全与能量密度彼此对立。2020年,为推进新动力轿车快速开展,CTP技能、刀片电池、果冻电池等最新技能连续发布,动力电池已然进入新的技能革新周期。

 





将迎固态电池破壁的10年




新一代电池的研讨方向,正在从最底子的资料方面做出打破,逐步过渡到全固态电池。我国工程院院士陈立泉表明,固态锂电池的负极资料可所以纳米硅和石墨的复合负极,正极可所以高电压锰酸锂、也可所以富锂锰基资料或不含锂的正极资料,电解质是固体电解质,比能量能够到达300~450Wh/kg。


 

据介绍,固态电池带来的革新,将不只是电解质资料的晋级,还触及动力电池的资料、制作办法及体系结构。电解质资料从有机可燃的液态(电解液)到无机不可燃的固态,不只适用于锂离子电池,相同还能在钠离子电池、锂空气电池(以空气中的氧气作为正极反应物,结构类似于干电池)等产品中运用。

 

最近,蔚来轿车发布了150Wh的固态电池,在职业界引起了轩然大波。记者了解到,国内关于固态电池的研讨一直在进行中。陈立泉说到,中科院物理研讨所自1976年起就开端研讨固体电解质资料,并在2016年景立了卫蓝新动力公司,2018年比能量到达300Wh/kg的固态电池进行了样车实验,现在固态电池产品已供应无人机运用。

 

其实,关于固态电池中心资料,现在预锂化需求的锂箔和涂固体电解质粉料的隔阂都已完成工业化。日前,宁德年代公开了“一种固态电解质的制备办法”、“一种硫化物固态电解质片及其制备办法”两种固态电池相关专利。比亚迪也发布了“一种正极资料及其制备办法、一种固态锂电池”、“一种锂离子电池固态电解质及其制备办法和固态锂离子电池”两项专利。一场关于固态电池的技能和工业化竞赛已拉开帷幕。

 

在陈立泉看来,再下一代动力电池便是远期的锂硫电池或锂空气电池。黄学杰以为,液态的锂硫电池有最高的比能量,未来10年估计也会走向固态化。“未来10年将是固态电池破壁的10年。”黄学杰表明,“到2030年,电动轿车在经济性上能够打败燃油车,比能量500Wh/kg以上的固态电池将走向适用。”


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