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    黄学杰:未来几年用于新能源汽车的锂离子电池发展预测

    黄学杰:未来几年用于新能源汽车的锂离子电池发展预测
    发布时间:2017-02-06

          黄学杰博士在CIBF2016国际先进电池前沿技术研讨会中发表题为 “未来几年用于新能源汽车的锂离子电池发展预测” 的技术交流报告。

    在十几年前的时候,那个时候我是支持锰酸锂电池在电动汽车产业的应用,差不多在78年前的时候,我大力地支持磷酸铁锂电池运用于电动车辆。

         今天面临磷酸铁锂和三元有不同的看法,我认为这是可以在电动汽车产业里面并行的发展,各自发挥自己的特性,考虑其循环寿命、安全性、密度等特性,选择适合的电池。所以说,无论是在大车、小车,安全可靠的电池首先必须是高水平的电池。

         无论你是用什么材料,你如果做的不好的话,它同样也不可能是安全的,这是一个开场白。

    未来的汽车电池怎么走?简单地说就是材料跟制造技术,两者都会同步的进步。

         早晨我也说了,电动汽车的这种快速的增长,电池的这种产量快速的增加,所以说,中国的动力电池已经成了国际相关的锂电的材料。中国已经在国际的动力电池市场上占据了相当大的影响力。

          今天这个电动汽车,刚才也有很多精彩的报告,包括整车企业的,包括电池企业的,大家都提到了一个痛点,也就是说,希望我们的这个电池能够充一次电能够让车辆跑更长的里程,希望它更安全、更可靠、更便宜。

         这个是ANLBMW发的一篇文章,我们的电池包在功率特性上基本上满足市场的要求,你车子要动起来,在其它几个方面,在能量方面,能量密度方面,在寿命、成本等等这方面都要改进的余地。在这里面我要特别提醒一下,大家刚才都比较注意,就是说多少瓦时每公斤,也就是说到底是150还是200还是300还是500?其实对于乘用车来讲还有一个很重要的指标,就是瓦时每升。

         手机里面大家都知道,瓦时每升才真正的叫能量密度,瓦时公斤严格的发音叫比能量,而不叫能量密度,这是两个不同的概念。对手机电池大家更关注的是什么?关注的是能量密度,同样的尺寸不管你的重量重,你都要有同样的电能。

          对于乘用车来讲,有时候你的重量可以略微重一点,但是体积必须要严格的控制住。你让人家把腿抬起来,人家的后备厢里又没有了空间,这都不是你增加续时里程的办法。

          特斯拉采用了18650,松下把18650做到了个很高的水准。90018650900个毫安时到一个安时左右,今天涨到了3点几个,尺寸没有变,但是这个里面真正变的是什么?变的是能量密度的材料用进去了,我同样的空间里面,我单位体积里面正负极体积的能量密度提升了,这个是要做一个说明的。

          中国的电动汽车发展的快,汽车行业对电池行业的压力是越来越大的,大家刚才都看到了,咱们对100多公里都不满意,希望有300多公里的,还有想要500多公里的。

          咱们是电池的协会,人家有一个卖汽车的协会,他们制定了一个路线图,这个路线图里面就要求,你的电池必须搞到300瓦时。实际上更现实一些就是说,对于锂离子的这个体系,今天的锂离子的体系,300个瓦时每公斤,作为动力电池用的话已经是一个很大的挑战了。刚才专家们也讲的,未来还有金属锂电池还有固态等等的这些考虑。

          今天在汽车行业关心电池的时候,不仅仅是能量了,还有一系列的指标,最后关心的是电池、系统的指标,挑战非常之大。

          国家的重点的研发计划,我们也参与了相应的规划,但是,这个启动就会晚一些,国家的事情,涉及到了好多个部委,到今年才开始启动项目,今年这个合同也没有签下来。科学院的动作会快一点,在3年前启动了这个计划,2年多前把钱拨下来了,所以说希望到18年的时候可以做到。有人说了,我要把这个能量比提上去了,这个车子一次能够跑300公里,我只要保200公里,是不是700次的寿命就够了?其实不是这样的,对电池来讲,我能把它的寿命做的高一点,即使你的比能量低一点又有何妨?为了10%的比能量,为了5%的价格,你做成这样,你是没有价值的,你带来的能源和环境的负担是非常重的。

          对于企业来讲,不要只是追求你在市场上这一年能够比别人多挣一点钱,你应该想到要做更大、更好的产品,未来才有可能成为一个不错的企业。

          高比能量电池大家说起来都挺明白的,过去做的锰酸锂、磷酸铁锂都是低比能量的,大家都习惯讲比能量了,所以我也就讲一下瓦时每公斤。这些事情做起来是很难的,比如说打硅负极的这项事情,比如说高容量纳米硒负极这个材料,停了一段时间,这个是在烧投资人、纳税人的钱,不说一个亿,78000万也差不多了。在这里我们就要把它的尺寸变小,这样就可以提高它的循环性能了。

          你可以把这个材料做起来,你也可以做的很漂亮,但是,挑战仍然是存在着的。

          今天,我们每一个人,你这里面破坏跟重构导致了活性锂的消失。我在想,现在是一个蛮关键的时候。

          今天科学院的团队,物理学的团队,李红(音)带着宁波材料所做了一个300瓦时每公斤的电池。你可以展示出来,我可以把比能量做到,但是接着的话是什么?比能量问完了之后就会问你能量密度怎么样,你的寿命怎么样,室温的寿命可以了,高温的寿命怎么样,这个还在进步之中。总的来讲,这只是其中的一个方向,我现在真正感兴趣的实际上是两个方向同步进行,一个是我们往这个里面加硅,你加的负极的容量越来越高的时候离金属锂就越近了。

          我们不仅仅是在追求高容量,我们还要考虑你这个电池能不能在低温下面快速的充电。现在我们有一个考虑,我们要把硒加进去,这样就可以形成一颗一颗的纳米颗粒分散到碳里面。这个是一种合适的循环性能,在这里面我要给大家展示的是什么?就是在低温下面会有很大的区别。

          在低温下面, 左边这个是什么?这种材料是在零下20度的时候你进行充放电,还有130毫安时每克的能量,这个时候你要换成石墨的话就会很少了。石墨实际上有一个特点,你要从里面拿出来的时候实际上是相当快的。一个电池你放电放的有多快,是取决于正极的,充电充的有多快,能不能够接受更多的时候是取决于负极的。你进到石墨里面是一个很慢的过程。

          我把硒加进去以后我们可以看到,在低温下面,你是可以充电的。所以说,在材料的体系里面还是有一些创新的机会的。

          接着来说,是正极的这一块,这么多的正极材料,这个正极材料不仅仅是要关心它的比容量,我们现在讲的毫安时每克讲的是比容量,同时也要关心这个材料的密度。正极材料你要想让它能够在电池里面用好,让电池有更高的能量密度,你必须做到“三高”,也就是说比容量高是不够的,同时电压也要高,再加上密度要高。这个时候这种材料的能量密度才能够上去,这个时候你才能够做出更高的能量密度的电池,满足乘用车发展的需要。所以说,这一系列的材料就不多说了。

          今天大家花了很多的精力去做三元,去做锰基的材料。

          N年前我们发现把这个氧化铝加到里面去, 放在正极那边。另外也有一篇文章,哪一级都不要加,就把氧化铝扔到电解质里面去,这样就可以提升你的性能,我们不信,很多年之后,我甚至想压制这篇文章的发明,其实最后就发现了,氧化铝就是这么一种神奇的材料,这里面的机制,这种氧化物可以跟氟化氢反应。后来这种技术同样被用在了锰酸锂上面了。刚开始我在高压这个材料的时候也试图采用了氧化铝。

          这个材料本身很有意思,你跟磷酸铁锂是一样的,你的容量是多少,基本上第一个回合都拿回来了,第一次正好可以跟你的石墨对起来,所以说今天室温的电池也可以有不错的性能。跟硅碳来比现在还是有一些差距的,还是在70%的水平。

          总的来讲,在高压的这路上,我们也在努力,大家更多的在做这种高比容量的材料,我们关注的是高密度的材料,高电压的材料。

          除了这种能量型的电池之外,我想明天还有报告,会讲到高功率的电池。

          对于我们这种插电式的车,混合动力汽车,包括48伏的轻混和微混,这个也是非常重要的,咱们是到2025年,假设每年在中国生产500万台的新能源汽车,跟我们其它的燃油汽车来比仍然是一个很小的比例,那个时候我们总的汽车的量会是3700万台,你不仅仅要关注百分之十几的新能源汽车,我们还要关注80%非新能源汽车的电池,更多的还要用到高功率的电池。

          我想展示一个例子,比如说一款8安时的高功率电池,你不觉得它有什么不同,但是,在这种大电流的充电的情况下,10C的这个点,而且把温度升到45度的时候,你会发现它仍然有接近2000次的寿命,还有80%的容量。对功率电池来讲容量不是一个重要的概念,它的功率才是一个更重要的概念。

          对乘用车电池我们关心的瓦时每升,对商用车我们可能关心的是瓦时每公斤。

          系统的技术也非常的重要,刚才北汽的陈博士、宇通的尹博士都讲了很好的系统,我就不多讲了,所以就是说,好的电池必须有好的系统,这些是非常重要的。

          技术是一个方面,制造是另外一个方面,科学院的团队是相关的一些装备的研究所,沈阳自动化所,包括一些企业一些联合起来,建立一个开放式的动力装备技术的平台,我想有一些装备企业、电力企业都去访问过,这个是工业级的装备,也就是几十米的装备,但是是一种新的工艺。对这些设备,我们无论是在控制还是在测量上都做了精密的改进。

          它可以做什么?可以高速的涂布,就根据你的需要来设定你涂布的这种区域,满足我们电池设计的这种要求,让你的材料能够100%的得到利润。这个是一块。

          同样的,在电池设计的这一块,到底是圆柱的好还是把它压扁了好,还是做成叠片好?如果你只谈价格,这个是最好的,这个是最差的,如果你谈这个的话,如果你谈这种寿命的话,可能是叠式的会好一些,今天我们的材料都是软极片的,无论是三元材料还是纳米的磷酸铁锂的材料都是软极片,当你变成硬极片的时候,你就要小心了,你的这种工艺将会失灵。从这个方面来讲,一定要有新工艺的探索。

          同样的是叠片工艺,也有不同的叠法,北汽是这样的,三元是这样的。所以说,我们要开发相应的装备,能够实现自动化精密的生产。所以就提出了一个工艺模式,你要能够适应它。

          今天,大家觉得切片太慢了,大家又提出了负极不切,正极的靠激光的在线切割,这个也在这个平台上开始运行起来,验证起来。

          刚才这个分别是两个合作伙伴一起合作的。大家可以看到,新的工艺也在不断的往前走,同时,做出来的电池好在什么地方?差又差在什么地方?我们更多的是通过外特性来测试,物理所现在建立了一个供应平台,电池可以在隔绝空气的条件下来进行测检。

          这个平台是对全球开放的,也希望有更多的企业跟我们一起来使用这个平台。

          我们理解了电池,我们有了创新的材料,有了创新的工艺,大家一起来努力,我想在未来的5年为汽车工业提供好的电池。这就是我报告的内容,请大家批评指正。


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