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车用动力电池技术现状及发展趋势 精华 1  [复制链接]

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2020-11-10 10:28


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首先我介绍一下新能源汽车发展趋势。目前,全球汽车产业正进入百年未遇的大变革,汽车产业电容的智能化共享化的趋势非常明显,汽车产业的电动化正在加速。目前世界上其它一些汽车强国也发布了新能源汽车相关的发展战略发展目标,像美国德国日本国家和地区同时,一些国家和地区也发布了燃油车禁售时间表,实际上这个燃油车指的常规的燃油车,那在现在基础上给做了一个技术升级,就是燃油车要电动化,包括混合动力插电的纯电动当然也包括燃料电池。我觉得这个文件还会存在50年的时间,在这个基础上我们可以增加电动化这一技术的升级,这样应该还会有比较长的生命周期。对于新能源汽车发展的一个趋势,国际能源署在2019和2020年度的全球电动汽车展望里面,新能源汽车的发展有非常好的预期2030年的时候,新能源汽车预期的保有量大概是在1.5亿-2.5亿。这两个不同的趋势,一个是政策驱动的,另一个是通过市场推动的。同时,中国政府也颁布了一系列的汽车规划,包括我们新能源汽车的规划前一段时间国务院常委会通过了2021-2035能源汽车产业发展规划,这个正式稿现在大家在网上还没有看到,不过我想应该很快就会公布出来这个征求意见稿里面规定有新能源汽车的销售量是占整车年度的总销量要在20%以上从现在到未来一段时间,中国能源汽车的年度产销量大概是在2500万-3000万辆从国家的层面看,新能源汽车的整个发展趋势已经做了很好的规划往前看,尤其从2008年的“十城千辆”的示范项目启动后到2019年,新能源汽车的保有量达到了418万辆在2019年的新能源车的销量120.6万辆,虽然销量相对于2018年有些下降,但新能源汽车的年度量与汽车总销量的占比其实是提升了从2015年开始,中国新能源汽车年度销量占全球年度总销量超过50%今年从发展的趋势来看,应该还会保持这样的一个发展态势。虽说在欧洲,尤其是德国,政府的补贴政策支持力度比较大,发展得还是比较迅速的。同时,在2012-2020年节能新能源汽车国家规划里也设定了一个目标到2020年的时候,新能源汽车的保有量要达到500万辆今年尽管受疫情的影响,整个新能源汽车的销量大概是超过100万辆,因此到2020年500万辆的总保有量目标,目前来看是没有任何问题的,是可以达成的。那后面呢,如新能源汽车发展目标规划里提到:到2025年新能源汽车的年度销量500万辆、2030年是1500万辆、2035年是2000万,其实这个目标还是非常宏大的。还有新能源汽车年度销量占比目标新能源汽车发展规划里面提到:到2035年占到20%2030年超过40%2035年超过50%这样大家从国家层面来看的话,无论是做电池的还是做整车的,从技术方面还是从财政方面等都会给予一个很大的支持同时也通过一些政策,双积分政策。双积分政策是从明年开始实施,对新能源汽车的销量在汽车里的比是在提升的,目前对新能源汽车的积分政策也有比较大的调整,原来积分的50%如果要达到同样的积分,需要加大对新能源汽车在市场的投入,同时体现了扶优扶强的要求。积分政策是跟续驶里程是相关的现在基本要求达到300公里以上才拿到新能源车的积分;还有强调每公里的能耗指标电池能量密度的指标。因此从趋势来说的话,我想无论是对做高比能电池的、做技术研发的还是做产业化的,对新能源汽车领域应用还是做了个比较好的引导同时,这个跟原来的政策相比的话,它增加了低油耗乘用车的这块内容,实际上也就是混合动力汽车,但它是跟新能源汽车挂钩的(比如我生产了多少辆混合动力车,同时要配套生产新能源车,如果我不去做新能源车的话通过购买积分方式来达成要求)。


关于在国家政策的驱动下能源汽车发展态势我个人觉得是两头热的一个发展态势,第就是成本驱动型的微型纯电动车,实际上今年有款爆款的微型纯电动车,就是五菱mini现在卖的非常火,现在月销量基本上要超过1万辆,五菱的目标是每年要销售100万辆这样的车型,但我觉得相对来说是比较难不过每个月能3万-5万的销量还是比较实际的。我觉得现在很多其他整车企业也跟进做微型的纯电动车,这款车价格便宜,大概是29800、32800、38800元的价格范围。另外对电池的质保也有八年16万公里,这是非常有竞争性的问题这款车对低速车、对其他企业会有一个比较大的。对于这款车型,我想在中国从现在到未来一段时间会有比较好的一个市场的需求再有就是高端高性能的电动车,像特斯拉、蔚来、小鹏等企业做高端电动车,它的续驶里程基本上是在500公里以上,体现的科技感是比较好的,比如智能驾驶无人驾驶对于插电混合型汽车,基本上还是以国外的品牌为主我讲插电式混合动力汽在未来时间会有些发展的空间,不过整个业内判断,还是以纯电动的经济型纯电动车端高性能型纯电动车为主,包括我们在路线制定纯电动车市场份额预期要达到97-98%,也就是说只给插电式混合动力汽车留了2-3%的市场份额。因此内或者从政府引导的方向来发展态势看的话,我们做动力电池产业来说,还是要向着高性能高比能量动力电池的发展方向。


新能源汽车良好的发展态势下,或者说未来非常好的发展预期的前提下,动力电池能够跟燃油车实现竞争的发展需求,但能达得完美电池是非常难的动力电池不像芯片或者大规模集成电路符合摩尔定律发展的规律前几天跟华为公司接触的时候,因为他们管理层或者经营层对这个并不是很清楚,所以他对做电池研究提了一个非常大的要求,比如电池做成与大规模集成电路一样的发展态势,但我觉得这是不现实的,也是没有办法实现。我觉得现在比较合理的提法,在目前电池发展技术态势下,我们不停地迭代前进,每年提升3-5%左右,我觉得对电池技术的推动才会有比较好的支持,并不是说要按照大规模集成电路的要求对电池发展提类似的发展目标目前能实现产业化并且未来一段时间还要持续的能够迭代前进的,我觉得还是锂离子电池,目前还没有看到其他的电化学体系能够把锂离子电池替代掉。我个人的看法锂离子电池还会存在15年到20年电池的技术创新还需要在锂离子体系里去实现,欧盟发布了battery2030的规划日本在NEDO的一期或者二期国家级规划美国发布的电动汽车大挑战规划、再一个是Battery500项目、还有德国的电驱动国家平台里面,对电池研究内容进行了很好设计和规划它的内容来看,基本上会分成三个层次,一是实用化电池,也就说前面讲的,我们对电池要不停的迭代做技术的提升是新一代或下一代锂离子电池;三是新体系的电池我们国内也涉及到四个方面跟电池相关的的国家级规划。电池设计的内容也分三个层次,一实现实用化,高比能电池要达到300瓦时每公斤;二是下一代电池下一代锂离子电池到400瓦时每公斤;三是新体系电池,我们要发挥科技人员的奇思妙想,开发新的材料体系,包括新型的结构电池,大概要到500瓦时每公斤以上。大家在网上都会看到这些发布的消息以及一些指标,其中跟动力电池相关的是包括六个方面两个层次。从层次上看,一个是产业化的,一个是基础研究的,实际上就是把前面讲的国家规划的跟电池相关的三个层次的内容,在这个项目里体现,也就是锂离子电池实用化要达到300瓦时每公斤,电池系统要达到的200瓦时每公斤,新型锂离子电池要达到400瓦时每公斤,新体系电池要达到500瓦时每公斤同时,现在也完成了节能新能源汽车2.0版路线图的修订。锂离子动力电池作为一个非常关键的分路线图,对的整个内容也做了比较大的调整。在1.0版的时候,它应用于乘用车领域,能量型和能量功率兼顾分别用于插电式和纯电动这两大类。1.0版内容基础上2.0版进行了很大的拓展,应用的领域既包括乘用车也包括商用车电池技术的方向包括混合动力的,就是功率型的能量功率兼顾型能量型这三大类的技术发展方向,所以对整个电池技术发展领域和应用领域进行了全方位的拓展。其中能量型电池是一个重要的支持内容,因此能量型的又进行了三大分类:普及型,实际上它是以成本作为主要的推动力商用型,以长寿为主要的推动力高端型主要是它的能量密度其实就是前面讲的比如说我们成本驱动型的用在微型纯电动车,或者说经济型的纯电动车领域商用型针对大巴车或者网约车领域高端针对高性能纯电动车领域。对技术进展趋势,国家通过四个五年计划,大概二十多年时间,取得了很大的技术进步和产业进步。整个汽车行业发展趋势国家规划战略密切相关的,无论是从材料的发展趋势,还是从电池的发展趋势,特别高比能重点发展方向在国家支持目前已经实现产业化的电池体系,从四大主材来看的话,电解质六氟磷酸锂为主隔膜以聚乙烯、聚丙烯为主,当然也包括隔膜表面的改性;负极材料石墨为主;正极材料会有些变化,像磷酸铁锂电池基本上会做到160瓦时每公斤目前主要应用在大巴车市场,跟国家对它的安全要求也是密切相关的同时通过国家补贴做了一些调整,新的双积分政策的实施,磷酸铁锂在经济型的纯电动车领域,从今年看,它的市场份额现在也在逐渐的提升那再有一个就是锰酸锂,其实锰酸锂包括它的安全性成本体现的比较明显,现在基本上是跟三元材料,比如523材料做一个混合材料使用,做电池的能量密度基本上是在185瓦时每公斤以上,它现在多被用在两轮车市场里面,像星恒有全球最大的两轮车电池的销量同时在物流车市场里也有比较好的应用,甚至在微型电动车也有比较好的发展趋势。另外现在我们纯电动车市场里,三元材料用的量最大的应该是中镍材料,523材料,我们通过高电压技术的使用,它的能量密度现在基本上会在220瓦时每公斤左右,或者甚至还要高一些,这目前在纯电动车市场里用量是最大的同时高镍材料在圆柱形电池用量是非常大的,无论我们是811的还是NCA,在21700,包括特斯拉在电池日发布的4680等等一些电池,包括其他的国内企业也在做大圆柱体系里用量是比较大的。磷酸铁锂前面说的最主要应用于大巴车市场,它体现的就是安全性循环寿命比较长,现在大巴车里用的都是大容量电基本上300Ah以上,现在基本上会做到这个170瓦时每公斤以上,有的企业现在推的这样一些产品,甚至可以做到190瓦时每公斤的水,达成这样的一个技术指标高比能锂电池,这个主要是用在乘用车市场,它的能量密度基本上是在230±30瓦时每公斤的范围内,包括我们方型铝壳软包的圆柱形的电池,方型铝壳CATL是一个典型的代表性企业圆柱的是天津力神21700产品是非常有代表性;还有孚能做的软包电池,在新能源汽车里的用量也是比较好的型电池最主要是应用在大巴车市场,满足了大巴车的需求开发的快充型电池,它可以4C的充电120瓦时每公斤能量密度循环寿命现在基本上会超过4000次以上,并且这一技术跟极速加热做了个结合,零下30度也可以实现一个比较好的应用,这是盟固利开发的这个技术会2022冬奥会的时候做一个应用和展示现在把前面的整个产业化的情况汇总一下,三元材料电池在2019年占到60%,磷酸铁锂占到32%,这两类占主导地位的材料体系电池从发展的态势来看的话,还是三元的高比能电池是一个重点应用领域中乘用车占了64%左右,商用客车大概占到23%左右,其实这两类应用的市场是前面提的磷酸铁锂和三元材料只要的应用市场。从这样的市场,包括从它配套车型大家就可以看出能量型电或者纯电动电池是国家重点支持的方向和符合现在市场需求的方向。从发展的趋势来看,中期实现产业化体系的列表中可以看出:电解质盐方面,我个人看法还是要向着高电压的方向去做一些技术创新隔膜还是的隔膜是一个薄型化的聚乙烯隔膜为发展方向;负极还是以硅碳为主;正极磷酸铁锂的技术还会持续的、迭代的提升,能量密度可能会提高到220瓦时每公斤,甚至还要多一些我想目前从技术角度来看还是有非常大的可行性。那再有一个就是前面提的,我们用高镍和硅碳的材料可以达到300瓦时每公斤,现在国内像CATL、力神、 国轩、还有中航,他们承担了国家的项目来做这一类电池的开发和车型的配套,按照他们签的任务书的要求来看,这几家的总的配套量要超过1万辆。目前,个人觉得最大的一个技术难度是的安全性,其次是它的成本,我觉得无论是电池企业还是整车企业,关注度比较高的这两个方面那再有一类就是我们做400瓦时每公斤我们在《十三五》里也有一个支持,在《十五》里也是建议要持续的支持看得见或者目前来说比较成熟的技术方案,就是采用富锂锰基的正极材料跟硅碳做一个匹配,当然中间还有很多的技术问题需要深入了解解决,所以《十五》期间我们还是建议持续的支持,但我们在十三五期间有可能会对开发的技术和产品做抬价实验验证,目前来说也有企业现在逐渐在做五伏尖晶石镍锰酸锂正极材料。另外一个比较好的发展的方向,或者研究比较多的就是固态电池,实际上还是锂离子的固态化,或者我们叫固液混合电池内企业今后也会推出一些产品。300瓦时每公斤的动力电池大致进展,就测试的结果来看的话,循环寿命安全性(它的安全性按照目前已经发布内容来测试的)效果还是不错的但从整个全生命周期的使用情况,包括它的安全性还需要做比较深入的考核和验证同时我们要把300瓦时每公斤的技术做一个推演,因为它负极材料是用硅碳。如果负极材料用石墨的话比亚迪目前开发的270瓦时每公斤的方形电池;孚能开发的软包电池力神开发的是290瓦时每公斤软包电池。也就是正极采用811的高镍材料和负极采用石墨材料,从他的循环寿命和安全性测试情况来看还是不错的同时把前面几家开发的300瓦时每公斤270瓦时每公斤或者290瓦时每公斤的电池做第三方测试评价21个测试的项目,从测试的结果,循环寿命无论从常温还是高温衰减情况都还不错,安全性按照新国标基本上满足安全性测试的要求。另外力神把它开发的300瓦时每公斤的电池在系统里做了个较好的应用,它的循环寿命推演情况来看,可以做到1200次80%的容量保持率从安全性设计的角度来说,它的热失控、热扩散等等包括早期安全预警技术,发生问题之后灭火方案,都做很多的研究,在车型配套过程中将一些技术也进行应用


在快充型的项目里基本上包括这三类第一就是插电的车用的能量功率兼顾,第二是超级电容器,第三是高功率长寿命的快充的,我们可以做到6C的充电倍率,超级电容器我们可以做到66-80瓦时每公斤的能量密度,整个的功率密度还是不错的,50%SOC的情况下,最大充电功率可以做到6000千瓦每公斤的能力,那插电的我们可以到200瓦时每公斤的能量密度指标。北大夏定国老师承担的项目,可做到400瓦时每公斤,而且目前来看进展的情况还是不错的,这个在海南万部长做行业进展的时候也进行了相关的内容介绍那再一个前面提的,固液混合的锂离子电池,目前国内很多企业高校科研院所在做这一类技术产品的开发,电池的安全性循环寿命都达到不错的效果如:1000次之后一次性充放电容量可以做到90%那从长远的角度来看的话,到2030年能够实现产业化的或者应用的材料体系如锂空气、真正的固态电池,目前来说还是以基础研究为主我们现在锂空的实验室做的700瓦时每公斤,锂硫做到500瓦时每公斤,但循环寿命这还需要比较深入的技术开发去解决。固态电池就是应用金属锂负极的电,无论我们硫化物、氧化物、聚合物的等等固态电池,只能做到300瓦时每公斤,我想这个问题会更多,几类电池基本上是基础研究为主现在把电池产业化的情况做总结的话:目前国内已经形成了非常完善的产业链的体系,我想除了极个别的装备方面会受国外制裁影响,不过从国家支撑国内新能源汽车的发展应对国外对中国制裁措施,我想其他方面基本上不会有太大的问题配套量2019年的62.2GWh,今年我觉得会有一些下降,基本上会是这样态势,企业的数量现在还是不断的在聚集。不过我个人的看法,后期这个行业真正发展壮大起来,会存在10-20家比较好的企业,类似于我们目前做铅酸的还有300-500家锂电池的终极目标能够把铅酸电池做一个比较好的技术替代,所以我想这样的10-20家企业的存在,对这个行业的发展是非常有利的现在,优质的产能产线产品还处于一个供不应求的局面,如果你的电池做的好的话,我想整车厂还是有比较大的需求第四个方面就说说当几个技术创新的热点刀片电池现在比亚迪宣传的比较多CTP或大模组的技术,像CTP现在说的比较多一些,大模组的很多企业也在做,这两类体现的是把电芯和系统的体积利用率做一个比较好的提升,实际上就是变相的来提升的单体的能量密度和系统的能量密度,包括我们的重量能量密度和体积能量密度无钴电池,现在这个蜂巢说的会比较多一些,其实它还是采用一种镍酸锂,其实是镍锰锂源的材料体系,从技术参数来看的话还是不错的,但是它的成本也是一个比较大的挑战,还有尖晶石锰酸锂和5V镍锰酸锂,包括富锂锰基其实可以归到无钴材料体系里;那再有一个就是锂电池的干法工艺技术,这一技术原来特斯拉讲的比较多,但在电池日里并没有说这样一个内容,这一块我想还是从这个超级电容器产品里引用过来,我所罗列的几个技术,现在很多企业也在做相应的技术开发。对于电池的安全性统计数据,在没有任何征兆的情况下发生新能源汽车安全事故的比例是比较高基本上超过50%从这个角度来说的话,我们对安全技术要求就要从全链条的角度去考证,包括正负极材料隔膜电解液电池系统的设计生产制造还有安全评价,从材料到电池到系统,到全生命周期,不同的使用工况要做一个比较好的验证。还有从整车的控制策略的角度,我们要做这样一些调整,包括我们对现在采集的后台数据的分析,根据特征参数就要提出一些预警,这个还是需要做比较多的深入的工作。目前,大家关注度比较高还有热失控、热扩散的强标内容,目前考核验证的重点是从原来的单体模组逐渐转移到以系统为目标,我们在系统里做的像放、振动、热冲击、盐雾等等现在大家关注度最高的就是热失控和扩散的测试项目,也就是通过什么样的方式触发热失控,通过什么样的方式来实现它的热失控触发之后的扩散的重复性包括我们的热失控的可重复性和热扩散的可重复性,现在是一个非常大的技术难题无论是整车企业还是电池企业,现在都在做技术开发来提升电池使用过程中的安全性。另外动力电池的梯次利用和资源回收,多人认为这是一个伪命题,正好前两天参加了百人会组织的一场议讨论相关议题我觉得梯次利用对于电池的均匀一致性,假如说在自动化生产不是很好的前提下,或者电池从车辆退役之后,对于它梯次利用目前还有很大的技术挑战。梯次利用的经济性角度来说的话,最好是从整包和模组的模式做梯次利用这样它的经济性才能体现出来如果拆解到电芯再去重组、应用的话,它的经济性基本上是没有的从资源回收的角度来说,目前还是以三元材料做主要电池体系,磷酸铁锂回收基本上是没有经济性的但从发展的角度来说的话,无论是磷酸铁锂还是三元材料,只要生产制造的自动化程度提升和均匀一致性提升,那梯次利用肯定会做比较好的应用,经济性也会提升。在这个基础上,如果我们的资源回收量大的话,无论是磷酸铁锂还是三元材料,我觉得从资源回收的角度也会体现出的经济性。


最后总结下这几个关注的问题,第一个还是以电池的安全性作为一个核心来考虑第二个就是前面提的通过智能制造数字化工厂提升制造水平生产效率,尤其是产品的一致性,可以提升电池的循环寿命包括使用过程中的安全性;第三个要加强电池系统的开发,包括的技术和产业化,特别像热失控热扩散这样防控技术;第四个全生命周期的测试验证,尤其要加强它的安全可靠性,当然循环耐久和环境适应性也要做比较深入的考核。除此之外我们还要做技术储备,从新材料和新体系都要做前瞻性的技术开发,像锂硫、锂空气固态电池钠离子电池现在有人还提出一些智能电池等等前瞻技术


来源:电化学能源技术前沿论坛

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