中科院黄学杰:动力电池产品创新和技术路线图演化-盖世汽车资讯

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2020-10-3120:27:06

核心提醒:我个人指出电池技术的进步,特别是十年以后真正的全固态电池有期望经常出现进一步的性能提高。

10月28日-29日,由嘉定政府支持,盖世及国特聘专组联合主办的“2020第十二届全球产业峰会暨第八届与环境创意论坛”隆重召开。此次论坛以“修辞谋局,创新落地”为主题邀百名权威嘉宾,共同探讨中国产业在新形势、新格局和常态化疫情防控下,有序发展的思路举措。会议期间,中国科学院物理研究所研究员黄学杰公开发表了题为“动力电池产品创意和技术路线图进化”的主旨演说。

以下为演说国史:

谢谢王芳博士的介绍,也感激蔡博士的推荐,因为我们一起有幸参与2.0版路线图里面分部分的工作,蔡博士负责管理的是电驱动这一块,他会介绍,我和肖成伟主任负责管理动力电池这一块,我稍微改了一下题目,谈路线图和材料创新例子。

动力电池应当说是大很关注,所以路线图也是有非常必要的理由来进行修改,因为进步确实是非常快,我先讲一下,做锂电池我幸运地做了30多年,88年到物理所开始做锂二次电池,从90年底锂离子电池产业化,我有幸参与中国锂离子产业化过程,我在物理所做到基础研究,现在团队有一百多人主要是在做一些创新性的工作,当然也要支撑这个行业的发展做到一些技术的推广。

另外一块就就是指18年开始,为了加快新一代材料的应用于,我们在东莞的松山湖材料实验室里面做了一些材料中试实验,跟我们动力电池性能的进一步提高有一些关系。

言归正传,先谈一下路线图的情况,因为前天工程学会已经公布了2.0版的路线图,在电池这一块它跟1.0版相比对能量型的电池符合纯电动,能量功率顾及型的动力电池符合PHEV,还有用于HEV的高功率的电池,分类明晰,我想也是为了适应现在的混合动力和显电动在公路交通电动化这一块的长期共存的情况,当然电池本身也是蛮复杂的事情,所以说道从电池到系统,从关键材料到生产、测试和重复使用等,王芳博士联合做到了这个测试评价和相关标准这一块,这个也是非常最重要。

电池这一块从十年前来讲,那时候咱们还在讨论它的性能需要到什么水平,它的成本需要到什么水平,今天我们告诉,这些进步比我们当时乐观预期的还要更快一点,因为到了19年的时候,产业开始有了一定的规模,十年前我们预测的一些东西,大胆预测的一些东西,19年基本上都构建了,不是所指的规模,是指它的性能,我们可以看到,中国的电池产业在国际上已经开始占住了一个不错的位置,无论是三元电池,还是铁锂电池,在乘用和商用间都会有一些设施,所以它的很多指标已经出来了,能量密度能够到多少、里程需要跑多少,以前一次充电跑500公里是不可想象的事情,今天大已经实在很正常了。接着就是电池成本能无法到1块钱每瓦时,三元材料电池都做了,铁锂还会更低廉一些。

还有就是技术的进步,电池的能量能无法到200瓦时每公斤,现在连磷酸铁锂最高做到了190,更不要说三元的电池,现在已经是逼近300瓦时每公斤,所以大不断看到这一块的进步。

特别是我们可以看到它的价格下降,10年前5块钱一个瓦时,我实在是指单体电池,现在到了5毛钱一个瓦时,所以这种对于行业的支撑都是看见的,连特斯拉的model3都降价了,所以我觉得这个里面有很多是中国电池技术进步的因素。

另一方面讲,过去因为补贴的政策更多偏纯电动,有一点PHEV,所以说道高功率电池这一块的重视程度过于,但是今天随着HEV这一块得到了普遍的共识和接纳,今天我们可以看见,锂离子电池也在混合动力包括PHEV这一块做好了准备,后面还有大关心的固态电池,今天实际上是半固态电池,一些初创企业开始作出3百瓦时每公斤以上,甚至4百瓦时每公斤半固态的。全固态的这种硫化物电解质电池也在研发中。

所以这次发布的2.0版路线图从7个方面对未来十几年的发展做到了一个展望,我们相信从电池这边看能够符合产业发展的需求,早上我听见了很好的讨论,内燃机也在快速进步,HEV电池需求也非常迫切,从目前的情况来讲,我个人指出电池技术的进步,特别是十年以后真正的全固态电池有希望出现进一步的性能提高。

我们可以想见将会经常出现有所不同的品种和有所不同的物种,今天我们在辩论HEV也好,讨论EV或者是辩论燃料电池和也好,它是基于今天的,你们可以看到这次整个的路线图是把智能化这一块,智能网联成放在一个重要的位置,因为智能网联它可以让成为一个不同的物种,那可能会在现在每年不到3千万台基数上出来更大的批量的新物种辆,那个时候的电池就必须提供更好的支持。

细节就不谈了,因为路线图都有一些描述,所以说不仅仅是设计和制造的问题,我们也不会考虑整个行业的可持续发展,所以说道电池从生到死的技术都有一个描述。

电动对电池有全面的要求,所以说做到这个路线图也是简单的活,从去年开始,国内外的电池企业、材料企业,还包括整企业,还有做基础设施的,一百多位的同仁,感谢他们经过差不多一年的希望,在中国工程学会强有力的的组织下,我们把这个表格编出来了。

这个路线图是2.0版的,16年公布的是1.0版,1.0版里面大部分都人关注的是能量型电池比能量超过多少,350瓦时每公斤类的,还有这个成本是多少,需要把它降到1块钱一瓦时吗?今天看那个过低的比能量指标基本上是没有超过的,成本的指标是超额完成的。

按照这个路线图,先往近处看,到2025年的时候,可以预期动力电池系统成会在每瓦时5毛钱以下,这个里面有一些叙述,因为2016年路线图的预测经过了4年的检验,大部分是靠谱的,现在我相信这个也不会比较靠谱,大未来几年不会检验这个。

2030年的时候我觉得是一个关键的节点,现有的主要是作为交通或者运载工具,是运人或者运货的,在未来几年我们可以看见有更多的新物种是用来作为生活、工作及娱乐的空间,所以预期2030年的时候中国不会生产出更多的,从电池这一点看在那个时候它不会满足它的需求。但是对于这种咱们今天的运载型的辆,HEV和燃料电池混合动力的辆还有很大的空间。

对于材料我们也有一个预测,不能离开应用场景去聊某一种材料,有一段时间大杨家是去争到底是磷酸铁锂的还是三元的电池更有前途,因为辆的性能和经济性的要求是多元的,我们看到的这些主要的动力电池的材料都桌面上了。无论是三元还是磷酸铁锂的材料,到三五年后我们指出它们还是电池行业的主流材料,还有成本更较低、性能更高的材料,逐渐在未来5年南北应用于。

编成这样的路线图的时候,每一种材料都无法较少,如果是因为爱好把某些材料去除,那就不是尊重市场决定权的不道德了,会变成专们或者是学会,甚至伸延到政府的主管部门想支持什么、不反对什么,这个是由市场来要求的,我内心确实指出三五年以后它仍然是多元的。

因为后面还有固态电池的报告,所以我会专门来讲这个,在材料这边我可以多谈一点,锂离子电池为什么生命力这么强劲?1990年代初开始走向市场,经过30年,从手机到电脑,从动力到电力的储能,不说道横扫,也差不多是这个意思。所以今天它给产业带给了深刻的变革,在储能产业会带给电站建设的变革,这个里面最关键的是什么呢?是材料。它材料体系非常丰富,这是历史上的电池从来没过的。

这是我们前做的最基础的研究,在今天证明是有价值的,差不多在25年前我们做无钴的镍酸锂材料,至今天是绕行不开的话题,动力电池必须要把这个钴用量降下来可以看见,每一次应用于的材料出现变革,或者是前面十几年、二三十年打下基础的,有人喊无钴的电池,所以这一块的辩论比较热。第一代无钴的材料锰酸锂还在大量生产,但电池主要是用在两轮上,现在它主要是靠两轮赚钱。新能源四轮我认为还是一个打基础的时期,因为全国一年才一百多万辆,什么时候到了几千万辆才是正常成熟期时期。

第二代无钴的材料是磷酸铁锂,当时新闻出来,特斯拉说道要用中国无钴电池,有人发了一个信息问这个到底是什么?我说道这个不应是磷酸铁锂电池,不必很吃惊,磷酸铁锂电池非常安全,还长寿命、低成本。十几年前我们批量生产的锂离子电池,08到10年的时候这个法国电力的测试了,有6千次的寿命,从10年到11年我们敲了2千多台做分享租赁,在欧洲近10年跑下来了,我很高兴听到今天他们说没有一台的电池是需要替换的。

我们最近在推下一个几乎无钴的材料现在大部分在无钴材料研发的都是通过三元材料特镍减钴来做,还在一个持续的过程中,但是我更还希望把电池的成本更大幅度降下来,因为无论是5百还是7百公里电动,今天都不再是一个问题,所以我特别期望成本能够继续降,安全提高上去。这个是我们做了的高电压镍锰酸锂材料方面工作,把目前成本最低的锰酸锂的四分一的锰替换成镍就是可以变成平稳的尖晶石结构二元负极材料,高这个材料必须电池到超高电压,相对于金属锂超过4.9V,就涉及到稳定性的问题,今天我们可以看到这样的电池、用改进的材料,同样的电解液,在室温情况下和高温下稳定性不输给三元材料。

这件事情做下来以后解决问题的问题是什么呢?就是目前的一块磷酸铁锂电池替换成它电压提升了40%,意味著同样的尺寸能量提高40%,每个瓦时成本又降低了30%左右,这是一个已做到中试的工作。另外一个工作引负极材料的改良,因为动力电池还有一个快差使的问题,你怎么去解决?电池的负极材料也有很多,今天用的更多是石墨材料,现在我们发现有一种金属,就是锡,与锂结合后构成的是合金,这个合金可以让锂离子快速被传输,至今天我们持续做到了20几年,可以看到,如果是石墨的话,你在快充的时候能够充进去的容量很少,特别是在低温下面,零下20度的时候需要差使进去的极少,但是这个材料即使在零下20度的时候也能比较快速地电池。这个工作现在做到什么程度呢?过去我们知道把块材做出来,把它的纳米颗粒做石墨里面去,今天我们能够做的就是把它做纳米的碳管里去,这样锂离子可以快速输送,如果电极有添加它做成的纳米线,做成锂离子的快速通道,我们可以看到这个材料的加入既提升了电极的比容量,也可以构建快速的充电。

所以在未来5年里电池技术不会进步,一些材料已经开始准备出来了,这个就是把一些研发的东西变为可以承托行业发展的工作,未来的发展有很好的机会,这就是我汇报的内容,谢谢大!


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