动力电池的技术进展和相关发展趋势分析

9月4日-6日，由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会以及中国汽车报社共同主办的第十六届中国汽车产业发展（泰达）国际论坛隆重召开。9月6日，在以“动力电池竞争格局之变”为主题的第一会场中，中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟发表了精彩演讲。以下内容为现场演讲实录：各位领导、各位专家、各位同仁，大家好，感谢主办方的邀请参加本次泰达论坛。我是中国电科十八所的肖成伟，我报告的题目是《车用电池技术现状及发展趋势》，包括六个方面。首先介绍一下新能源汽车的发展概况。汽车产业正进入百年未遇的大变革时代，汽车产业电动化转型正在加速。世界主要汽车强国，像美国、欧盟、德国和日本等这些国家和地区均发布了新能源汽车相关的发展战略和目标。许多国家和地区发布了燃油车禁售的时间表，一些汽车企业发布了传统燃油车停售的时间和相关的停售计划。国际能源署发布的《2019全球电动汽车展望》中，预期到2030年，全球新能源汽车保有量将达到2.5亿辆左右。中国政府发布《新能源汽车产业发展规划》中，到2025年，新能源汽车新车销量占比将达到20%以上。在中国政府的大力支持下，中国新能源汽车产业得到了快速的发展。截至2019年，新能源汽车保有量达到419万辆。2019年，新能源汽车销量达到了120.6万辆，占2019年汽车总销量的比例达到了4.68%。从2015年起，中国新能源汽车销量占全球新能源汽车总销量的比例均超过了50%。这张表列出了中国2020-2035年的新能源汽车市场目标。2025年，新能源汽车年销量将达到500万辆，2030年达到1500万辆，2035年达到2000万辆。今年受疫情的影响，新能源汽车的销量预计在100万辆左右的水平，较2019年有所下滑，但到2020年底，总的保有量达到500万辆的国家目标现在看来完成是没有问题的。第二个方面，介绍一下动力电池国内外的规划情况。

? ? ? ?动力电池作为新能源汽车的核心部件，是汽车产业电动化转型的关键支撑，也是汽车产业转型国际竞争的必争之地，相关汽车强国均制定了动力电池相关的发展规划。消费者对新能源汽车有哪些期望呢？他希望新能源汽车的续驶里程要长，使用寿命要长，安全可靠性要高，充电时间要短等等，新能源汽车的性能就可以跟常规的燃油车相媲美。对动力电池而言，需要具有高的能量密度、功率密度、安全性、长的循环寿命、快速充电和低成本等等要求。从目前实用化的电池体系来看，锂离子电池可以比较好地满足化新能源汽车对动力电池的性能指标的一些相关要求。从国外的一些国家和地区电池的发展规划来看，像欧盟、日本、美国、德国制定了国家级动力电池规划，从这些规划我们可以看到主要涉及到三个层面的内容：第一是实用化的锂离子电池，第二是高性能化的锂离子电池，第三就是新体系电池。国外的规划基本上涉及到这三个层次的内容。同样，中国新能源汽车相关规划涉及到动力电池的内容也包括了上述的三个层次。像实用化的锂离子电池，能量密度要做到300瓦时/公斤，高性能化的锂离子电池能量密度要做到400瓦时/公斤，新体系电池能量密度要做到500瓦时/公斤。现在正在制定2.0版的节能与新能源汽车技术路线图，2.0版的技术路线图包括一个总路线图和九个分路线图，动力电池是其中一个非常关键的分路线图。2.0版的动力电池分路线图跟1.0版有什么区别呢？从技术方向和应用的领域我们可以看一下，1.0版电池分为能量型和能量功率兼顾型两类，应用于乘用车的市场。而2.0版电池的种类进行了一个扩展，涉及到能量型、能量功率兼顾型和功率型三大技术类别，同时它的应用领域也进行了扩展，包括乘用车和商用车这两大应用领域都在内，实现了动力电池产业链的全覆盖，包括关键材料、动力电池、电池系统集成、新体系电池、测试评价、生产装备、资源回收和梯级利用。第三个方面介绍一下动力电池的技术进展和相关发展趋势。在国家四个五年计划的大力支持下，动力电池及其关键材料技术有了长足的进步。动力电池能量密度逐年在提升，高比能的动力电池是国家重点支持的研究方向。再看一下在国家的支持下，哪些材料体系的电池实现了产业化。当前实现产业化的电池体系负极主要是以石墨为主，隔膜以表面改性的聚乙烯和聚丙烯为主。电解质盐是采用六氟磷酸锂，正极主要包括磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料。其中磷酸铁锂电池的能量密度基本上做到170-190瓦时/公斤的水平。锰酸锂通常与三元材料混合，它的成本会比较低一些，电池的能量密度大致在180瓦时/公斤的水平，主要应用于物流车的市场。三元材料电池中，高镍材料电池的能量密度最高，523中镍材料电池相对高镍而言安全性更好一些，成本也更低一些，目前这类电池在乘用车领域配套量是最大的。磷酸铁锂，它的安全性好、循环寿命长，目前是大巴车领域的首选产品，配套量最大。国内主要电池企业像比亚迪、宁德时代等等都开发了大容量的铁锂电池产品，并实现了规模化配套。三元高比能电池的能量密度达到了230±30瓦时/公斤的水平。由于能量密度高，主要应用在乘用车市场和领域里，实现了规模化的应用。电池的封装形式，像圆柱形的、方形的软包电池都实现了比较好的应用。目前锂离子电池的快充技术取得了显著进展，在大巴车领域实现了应用，开发的快充电池能量密度达到了120瓦时/公斤，可以在15分钟内将电池的容量充到80%，也就是说它的充电能力可以达到4C的技术水平。从动力电池整个配套的情况来看，三元材料锂电池2019年的市场份额达到了65%，磷酸铁锂的市场份额是32%，乘用车是动力电池主要的应用领域。从电池系统的指标来看，电池系统能量密度2018年普遍达到了120瓦时/公斤以上，2019年普遍达到了140瓦时/公斤以上。从电池发展的趋势来看，中期，通过在高电压电解液、薄型的涂层隔膜、硅碳负极以及高镍正极、负锂正极和高电压正极等等方面开展研究工作，磷酸铁锂的能量密度可以达到200-220瓦时/公斤的水平，磷酸铁锂的能量密度还可以在现在的基础上做进一步提升。高镍材料电池的能量密度可以做到300瓦时/公斤，负锂材料电池的能量密度可以做到400瓦时/公斤，同时固液混合电解质的锂离子电池也是重点发展的方向。像宁德时代、天津力神、合肥国轩等等这些电池企业采用高镍的三元正极和硅碳负极开发了300瓦时/公斤的软包装电池，取得了比较好的技术进展。比亚迪采用高镍三元和石墨负极开发了270瓦时/公斤的方形电池，也取得了比较好的技术进展。力神和孚能采用高镍三元正极和石墨负极，开发了290瓦时/公斤的软包装电池，展示了良好的循环性能。北京大学研制出比容量达到400毫安时/克的新型负锂锰基的正极材料以及高比容量的硅碳负极材料，为400瓦时/公斤的新型高比能电池的研究奠定了比较好的基础。固液混合电解质的锂离子电池在循环寿命和安全性方面展示了较好的技术进展，1000次循环容量保持率现在可以做到90%以上，通过了针刺、短路、挤压、过充、过放和热冲击等等安全性测试项目。从长期来看，主要还是要开展新体系电池的基础性研究工作，包括锂空气、锂硫、全固态电池等新体系电池的研究。目前实验室阶段，锂空气电池能量密度可以做到700瓦时/公斤，锂硫电池的能量密度可以做到500瓦时/公斤，固态电池的能量密度可以做到300瓦时/公斤。下一步，需要进一步提升它们的循环性能、倍率性能，包括体积能量密度等技术相关方面的研究内容。目前，动力电池主要在国内有四大产业集聚区，包括珠三角、长三角、京津和中原地区，形成了较为完善的产业链，动力电池的配套量逐年在提升。2019年动力电池的配套量达到了62.6个GWh。从电池企业的数量来看，2019年由顶峰时的144家降低为80家左右的水平，目前整个电池行业的产能规模超过了4000亿瓦时，但是优质产能和优质产品现在还处于一个供不应求的局面。第四方面介绍一下电池的安全性技术。随着新能源汽车保有量不断增长，着火等安全事故呈现多发的态势。从初步统计的结果来看，充电过程中和无事故，这种无事故指的是无任何症状下新能源汽车发生安全事故，这两类是新能源汽车安全事故的主要原因。在无事故症状情况下发生安全事故的比例高，通过前面的统计数据，我们可以看到是这样一个情况，需要我们从动力电池全链条的角度来进行安全风险的控制，包括材料、电芯制造、系统集成、实际使用、测试验证和安全监控。我们通过智能制造，来提升动力电池的品质，包括它的一致性、安全可靠性和安全性等等。我们也要从电池材料，电池系统，三个层次来加强全生命周期、全工况条件下安全可靠性的测试验证工作。还要从电池级、企业级、国家级三级安全监控网络开展安全监控工作，通过大数据分析，发现潜在的安全风险，并提出预警方案，及时采取措施，比如像更换电池，电池管理系统参数阈值的一些调整等等，这些方面我们也要做大量工作。第五点，介绍一下当前几个技术创新的热点。这是比亚迪开发的刀片电池技术，通过刀片电池技术提高了电极内部的体积利用率和电池系统的体积利用率。宁德时代开发的CTP技术、天津捷威开发的大模组技术，这些技术提高了电池系统的体积利用率，从而也提高了电池系统的能量密度。就是说我们在一定的体积空间内可以多装一些电池，在体积利用率提高的情况下，我们可以把电池的能量密度做进一步提升。当然我们在CTP和大模组技术方面，还需要在以下几方面加强研究工作：第一是加强长模组、热扩散的考核验证工作。二是提升CTP，或者说大模组里面电池的单体维修和更换的便利性，这方面也要做比较多的工作。第三是我们要研究车型适配的广泛性，对CTP和大模组技术进行比较好的拓展应用。无钴电池可以降低对钴元素的依赖度，将来有望降低电池的制造成本。蜂巢开发的无钴电池能量密度已经达到了240瓦时/公斤，综合性能看起来还是比较不错的。针对安全事故频发的态势，电池系统热扩散测试方法和它的相应测试规程现在还是急需开展深入的研究工作，如何实现热失控触发的可重复性和热扩散实验的可重复性，目前是世界级的难题，整车企业和电池企业对这方面的内容非常关注，在人力、物力、财力方面投入是很大的，现在也在开展比较深入的研究工作。随着新能源汽车保有量的快速增长，新能源汽车使用年限到期后，需要开展退役电池的梯级利用和资源回收。从目前的情况来看，磷酸铁锂主要是进行梯级利用，资源回收的价值还是比较低的，三元电池主要进行资源回收，现在梯级利用的还比较少。随着动力电池制造水平的提升和退役电池数量的增大，两类电池的梯级利用和资源回收技术和经济性均可以实现，从而实现动力电池全生命周期的可持续循环发展。最后介绍一下动力电池行业需要重视的几个问题：第一个，我们一定要把安全性放在首位，包括从设计的角度，从考核验证的角度，从应用的角度，我们把安全性要放在首位，去做一个比较充分的考虑。第二是通过数字化工厂的使用，来提高动力电池的生产效率和产品的品质，CPK值我们力争要达到2.0以上。第三个是提升电池系统的设计开发的能力和水平，像电池的热管理技术、热扩散的防控技术和电池系统高电压技术，我们都要做相应的技术开发。第四个是提升电池和电池系统的标准化水平，来加强尤其是动力电池系统的全生命周期的考核和验证。在这个验证里面，是以安全可靠性作为重点，同时在循环耐久和环境适应性方面也要加强。最后一点，是加强新材料和新体系电池的基础研究工作，像固态电池、锂硫电池、锂空气电池，从基础研究方面要开展深入的工作。我的报告就讲到这里，请大家多提宝贵意见，谢谢！
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