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中国电科十八所丁飞:动力电池发展现状及趋势

发布时间:2019-08-12

  ”我觉得现在来看,锂离子电池在2020年之前实现1万次能量效率90%、度电成本4毛/度,这是电池单体不是电站的价格。目前这个指标是没问题的,是可以做到的。”

  8月7日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开,会议为大力推广风能、太阳能、储能创新技术,推动风光互补、太阳能+储能、风光储技术以及智能微电网、能源互联网技术在综合能源服务领域的应用;搭建风能、太阳能与储能产业科学技术、创新应用的交流与合作平台,推进风电、太阳能发电无补贴平价上网项目技术发展,推动储能技术进步和创新。

  主旨报告环节,中国电科十八所化学与物理电源技术重点实验室常务副主任丁飞作了题为“动力电池发展现状及趋势”的报告。

  各位老师、同学,大家下午好!非常高兴有这个机会跟大家一起交流汇报一下我这里做的一些工作。我们中国电科十八所和力神公司都是长期从事化学电源工作的单位,今天是储能的论坛,现在动力电池跟储能电池用电体系非常接近,我想今天把动力电池的事情给大家汇报清楚了,储能电池也基本就清晰了。

  这是我汇报的主要内容:首先介绍一下动力电池国内外进展情况,最后再说一下储能电池“十二五”以来的一些进展以及后面“十四五”的一些目标。

  首先来看一下,IEA 2018年对新能源汽车的预测,政策支持和动力电池成本不断下降的情况下,加上我们现在环境不断变化的压力,有可能到2030年的时候全球所有汽车里面有30%的车要实现电动化。

  上午几位老师都提到了我们国家新能源汽车,我们国家新能源汽车应该是在国际上发展最快的,一方面是可再生能源用电来驱动,另外一方面很重要的原因就是,目前我们的石油有60%都是给车烧掉了,加上其他一些动力系统,80%以上的石油都是给汽车、其他动力在使用。而我们的石油储备只有40天,所以实际上从安全角度来讲,发展电动汽车是非常急迫的事情。

  现在我们国家电动汽车、新能源汽车研发体系、产业体系都已经相对比较成熟了,形成了完整的产业链,我们新能源汽车应用推广是世界第一的,我们的目标是在2020年的时候,希望能够产销量达到200万辆,2025年的时候新能源汽车站汽车总销量的20%以上。

  我们来看一下,什么样的电池是一个完美的动力电池,这里面有一些指标,比如说高的能量密度、高的功率密度、高的安全性、长的循环寿命等等。显然我们现在还有很多技术和科学上的问题要去继续解决,比如我们要不断提高现有电池的能量密度,从现在的200多瓦时/公斤,提升到400瓦时/公斤,可以把汽车续航成提高一倍,上午也说了,现在电池还有好多安全性问题,在后面“十四五”里面重点要解决这个,或者进一步提升动力电池的安全性。再一个,“十四五”的时候也没有提出一个目标,希望所有的电动车都能够实现10分钟充电80%的目标。

  基于刚才对未来的市场趋势,研究动力电池主要的国家像日本、美国、德国都在开展这方面的工作以及相应的国家规划。日本锂离子电池除了一方面提高现有的锂离子电池能量密度,也不停的开发下一代电池。美国他们的电池研究路线原本是相对比较保守的,6年的时候他提出了一个技能,他用5年时间去搜集有没有一种可能性把电池的能量密度提升到500瓦时公斤,已有的锂离子电池能够支撑400瓦时/公斤的能量密度。德国对动力电池研究,除了对不同的材料和电能体系有它的工作之外,对电池的可靠性,生产中的质量可靠性这方面也做了更多的工作。

  这里特别提一下,在2018年的时候,日本结合了丰田、本田、日产在内的23家汽车电池材料的企业还有相关的研究所,一共投入了100亿日元,专门开发下一代的动力电池汽车。后面我会再给大家介绍一下固态电池相关的情况。

  从上面的分析来看,因为基于刚才所说的未来的需求,实际上动力电池已经成为一个各个地方的像动力电池技术强国分秒必争的一个战场,大家希望都能够在这个技术上抢先占据制高点。

  我们国家在动力电池实际也布置了很详细的国家科技规划,比如节能与新能源汽车的国家规划、“十三五”计划新能源汽车重点方向,“中国制造2025”“汽车产业中长期发展规划”,得对电池的技术发展制订了详细的路线年都有详细的路线,总的来看目前我们动力电池的发展也是按照它的动力电池路线来实现的。

  比如科技部“十三五”关于电动汽车重点研发方向的动力电池安排,包括了电池、电机、电控三大方面,都囊括在里面了,在电池里面重点是要突破动力电池的新材料、新体系,香港本期开奖结果2018,高比能锂离子电池、高功率电池、动力电池系统、测试评估等相关的方法。总的目标,产业化的目标,锂离子电池技术要达到300瓦时/公斤,动力电池系统210瓦时/公斤。

  在2018年的时候,我们对整个“十三五”项目进行了中期的检查或者监督,基本上我们现在这个项目进展的比较顺利,应该说可以实现刚才的目标。同时,像汽车工业协会已经开始组织2035年前的新能源汽车路线个专项是与动力电池相关的,我们十八所和中科院物理所在联合牵头做动力电池技术路线。

  在过去的三个“五年计划”里面,我们的动力电池伴随着整个锂离子电池的产业发展,我们经过了从最早的钴酸锂动力电池体系,经过中间的磷酸铁锂,现在基本上已经稳定为三元电池为主,兼顾磷酸铁锂这么一个电池的主体系。现在我们这些电池从最初的130瓦时/公斤,已经发展到现在250瓦时/公斤,现在高一点做到220瓦时/公斤,可以说很好的支撑我们对混合动力、动力电池相关的技术要求。

  目前已经产业化的电池的一些体系,比如磷酸铁锂、石墨的体系,特点就是成本比较低,能量密度可以做到180瓦时/公斤,目前主要在大巴车上使用。钴酸锂和石墨,它的特点就是成本比磷酸铁锂略高一点,但是它的一些性能比磷酸铁锂好,它也是用在大巴上,尤其是混合动力上钴酸锂用得更多一点。

  下面几行都是三元的体系,三元电池的体系它的能量密度在250瓦时/公斤或者往上一点,主要用在乘用车里面、平时的私家车里。

  我整理了一下2014—2018年乘用车领域所使用的动力电池变化的情况,对乘用车混合动力,2014年的时候是磷酸铁锂为主,到现在基本上以三元材料为主。纯电动2014年是磷酸铁锂占70%,第一批的电动车基本都是磷酸铁锂的,现在看纯电动车的车拥车90%以上都是用三元的材料,现在咱们在市面上新出的300公里以上的车,能量密度也从最初的90瓦时、100瓦时,提升到现在的系统平台技术,大概在120瓦时/公斤左右。

  对于乘用车,早期也是磷酸铁锂为主,现在混合动力基本上采用了钴酸锂这个体系,乘用车也是,早期磷酸铁锂占了很大比例,现在也有一部分钴酸锂体系。

  我们电池系统能量密度的变化,实际上磷酸铁锂的能量密度跟三元密度是接近的,大概都在120瓦时/公斤,实际上三元的能量密度比磷酸铁锂高很多,主要因为三元用在小车里面,小车受到空间和一些要求比较高的制约,三元电池的成本效率相对要比在大巴车的成本效率低,所以最后综合起来能量密度这两个体系,单看能量密度是相同的,120瓦时/公斤左右。

  下面几页说了一下现在动力电池一些具体的技术情况。刚刚说了,现在动力电池单体能量密度可以做到250瓦时/公斤做到200瓦时/公斤之间。2018年推出了,现在市面上300公里以上的电动车,人家能量密度不会达到200瓦时/公斤。

  在快充技术方面,这些年我们也获得了很大的提升,做的比较好的其中有一个是北京的单位,另外还有浙江的微宏动力,在快充方面,我们现在已经可以做到一些车辆型号已经可以做到10分钟充电80%,循环在1000次左右,基本上思路还是材料到电解液的现在设计,尽量控制它的内阻,比如过程中遇到的一些安全性问题要提前做好设计。早期2010年左右的时候,那时候车单体做到100瓦时/公斤,现在单体可以做到180—200瓦时/公斤,这个基础提升主要基于蔡老,材料技术这些年对于材料的低温性能和导电性、治理性不断提升,我们电池重要的是比之前能量密度几乎翻了一番。

  我们“十三五”目前的一个推动专项的项目进展情况,现在材料方面,我们正极材料可以做到400安时/克,几乎在“十三五”前的指标上涨了接近反倍的指标。我们也开发出了300瓦时/公斤工程级的,很快应该可以在车辆上进行测试。

  300瓦时/公斤电池是目前动力电池里面行业竞争的热点,除了宁德时代、立神、国轩、中航之外,一些主要的项孚能、盟固利等等都在里面,也取得了比较好的成果。

  下一步锂离子,区块链是350—400公里/公斤,这里面提一下,首次开发的材料,达到400毫安时/克以上,不仅应用于现在400瓦时/公斤的设计,200左右的也有涉及。锂空气电池、锂硫电池、固态电池,这些体系存在的问题循环寿命还不行。

  刚才说了固态电池,现在说是国内外研究的一个重点,这里面没有可燃的业态电解液,就是用高离子固体电解质替代现在电池里面的可燃性有机电解液的。除了电解液的提高,能量密度、循环寿命都可以有一定的提升。

  国际上像美国、加拿大、欧言、法国、德国、中日韩都在做,美国和欧洲主要的技术路线是以加上一些垫电解质。日本、韩国坚持以无记位改造他们一直坚持用全固态的固态电池,这样能保证电池绝对的安全性。像风电提出的技术,这个技术能大幅度提升固态电池的能量密度,同时这套技术开发成功以后在业态电池里面也可以做一个推广。

  我们国家现在应该说全世界固态电池研发最火热的地方,我们国内的研发技术路线现在采用的是有机无机复合加入业态的电解液,第一步,我们叫工业复合,在这个基础上我们再全固态电解质,物理所有一个初创的北京蔚蓝公司,清华大学在昆山有一个健康育人,宁波所他们有一个公司赣锋锂业公司合作的。560349.com,我们公司从材料开始到电池都有相关的合作专利,我们早期做的固体电池。我们还提出过聚合物电解质,我们这个电解质和其他电解质相比,我在使用上是不需要家我的。目前是有机、无机符合去做,我觉得再过一两年工程放大的一些问题我们第一代的固态电池可能影响还是比较大的。

  说一下我们国家动力电池产业化的情况。我们国家动力电池的产业化情况,现在发展的还是比较迅速的,母亲来看,基本上形成了四个主要的聚集区,比如珠三角、长三角、经济地区,从电池、光间材料、系统集成、回收提高、评估市场都形成了完整的产业链。

  当然我们现在也可以看到,从2025年以后,实际上相关的电池产业已经开始举重,就是产业的集中度在逐步提升。目前我们有90家家企业,实际上我们现在的设计产能已经超过了2020年预期的产能,后面这段时间里估计有的企业会从产业链里面出局。

  这些年我们的产业发展一个特点就是说,整个动力电池的数字化、智能化、信息化每年的非常好,以前都是公司自己做,他要提供完整的动力电池的方案。

  在数字化智能化的基础上,我们从控制点Cpk来看2094增长到1.33,总的合理率从以前的90%提高到现在的99.8%。

  最后提一下资源的问题。前一段也和有一些人提出这个疑问,动力电池这么快的进行扩张之后,重要的矿山够不够,在IEA的统计里面,随着材料技术的提升,对一些材料的含量是下降的,对锂元素、镍元素2018年的时候需求量也开始往下走了。

  储能电池刚才我们知道,除了物理电能像抽水蓄能、压缩空气,化学储能里面,除了锂离子电池之外,还有液流电池、铅炭、钠硫电池的体系。

  这是“十三五”期间电网基础支持的项目,包括锂离子电池、高速飞轮、业态金属、海水储能相关的项目。

  前一段总结的时候,目前可以做到这样,锂离子储能电池循环寿命大于1万次,成本小于100美元,百兆瓦储能系统已经落地。液流电池方面,大化所实现了200兆瓦、800兆瓦时的验证,能量密度不小于67%,我们钠离子电池储能系统也开始运行。

  锂离子电池储能产品是目前发展比较快的一个技术路线,它跟动力电池一样也是分两大类,一类是磷酸铁锂的,一类是三元材料的,韩国用的比较多的是三元材料的体系,我们国内基本上用的磷酸铁锂。

  从电站的角度,从10兆瓦的示范电站现在也在百兆瓦电池开始有一些在建,我觉得电站实际运营中还有很多科学和技术问题进一步去分析,像韩国前一段储能电站出了问题,后面实际应用中还有很多问题需要去解决。

  这是我对未来储能技术发展趋势的想法,我觉得现在来看,锂离子电池在2020年之前实现1万次能量效率90%、度电成本4毛/度,这是电池单体,也不是电站。目前这个指标是没问题的,是可以做到的。

  “十四五”的时候,目标是希望要做到1500次循环,能量效率继续保持大概90%,度电成本希望降到2毛/度电,现在来看,有一定的可能性,但是技术难度依然很大,对于锂离子电池来讲。同时我想其他新型的储能技术,比如说储热、储电的协同,压缩空气,纳离子电池储能、相片储能这些,我觉得只要找到适宜的相关的地点,这些储能技术还是很有可能去颠覆现在锂离储能技术的。

  最后,感谢十八所肖成伟研究员、物理所李泓研究员为这个PPT提供了大量素材。谢谢!

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