中國儲能網(wǎng)訊：2018年8月18-19日，由電車人學(xué)院舉辦的總裁班“雄鷹計劃”（黃埔一期）第2次課電動化專題在北京理工大學(xué)舉辦，邀請中汽中心動力電池領(lǐng)域首席專家、中汽中心試驗(yàn)所副總工程師王芳就動力電池最新進(jìn)展和幾個核心問題探討進(jìn)行主題分享，現(xiàn)經(jīng)過編輯整理分享給行業(yè)參考。
中汽中心動力電池領(lǐng)域首席專家、試驗(yàn)所副總工程師王芳
以下為涉及的10個主要方面：
問題1：關(guān)于動力電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題
問題2：關(guān)于動力電池的技術(shù)發(fā)展路徑
問題3：關(guān)于2015~2018年電池系統(tǒng)能量密度、成組率變化趨勢
問題4：關(guān)于動力電池結(jié)構(gòu)分析，方形、軟包和圓柱成組效率
問題5：關(guān)于電池系統(tǒng)冷卻方式分析，自然冷卻、風(fēng)冷和液冷
問題6：關(guān)于動力電池一致性的影響
問題7：關(guān)于動力電池起火原因分析
問題8：關(guān)于動力電池可用評價
問題9：關(guān)于動力電池梯次利用
問題10：關(guān)于動力電池發(fā)展需重視的兩大方面
問題1：關(guān)于動力電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題
動力電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展迅速，兩級分化嚴(yán)重，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能不足。在國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷量迅速增長的情況下，電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展也非常迅速，根據(jù)工信部車型數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年電池裝機(jī)量16GWh、2016年28GWh、2017年36GWh，2020年的需求是100GWh左右，但是根據(jù)我們粗略估算2017年電池行業(yè)的年產(chǎn)能已達(dá)到200GWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際需求量。
整體來看，去年年底磷酸鐵鋰單體能量密度大概在140Wh/kg，現(xiàn)在180Wh/kg左右，甚至到190Wh/kg。三元單體能量密度現(xiàn)在基本上在200Wh/kg左右，去年平均值在185Wh/kg，18650已經(jīng)達(dá)到265Wh/kg以上。
再看市場份額的占比，特別是今年電池行業(yè)的變化非常明顯：一是兩極分化，80%的量集中在20%的企業(yè)手里，剩下80%的企業(yè)在爭奪20%的市場份額；二是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能明顯不足，各電池廠產(chǎn)能擴(kuò)展非?？欤谖磥硪荒曜笥业臅r間內(nèi)還會有非常大的格局變化，如現(xiàn)在有一些企業(yè)已經(jīng)在逐步退出市場了，目前占市場份額非常大的這幾家企業(yè)在國內(nèi)已經(jīng)是相對優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能了，但在國際的競爭上又會怎么樣？這與他們產(chǎn)品的品質(zhì)、生產(chǎn)制造的工藝等密切相關(guān)。
問題2：動力電池的技術(shù)發(fā)展路徑
電池技術(shù)進(jìn)展，下圖是我們做“十二五”規(guī)劃時的圖，到現(xiàn)在為止沒有太大的變化，這是因?yàn)楝F(xiàn)有體系正極材料、負(fù)極材料有哪些都是確定的，只是不同正負(fù)極材料的搭配，能夠達(dá)到不同的性能指標(biāo)、能夠滿足不同車輛的使用。
具體來看，第一塊是現(xiàn)有電化學(xué)體系，已經(jīng)比較成熟；第二塊是現(xiàn)在正在研發(fā)應(yīng)該往產(chǎn)業(yè)化走，但是目前已經(jīng)提前走到產(chǎn)業(yè)化階段了，原因是什么？就是因?yàn)殚L續(xù)航、高比能的要求和補(bǔ)貼政策的引導(dǎo)；第三塊是鋰硫、鋰空氣電池是未來的體系。
從2017年底到現(xiàn)在我們認(rèn)為333和532應(yīng)該是主流的產(chǎn)品， 622應(yīng)該是進(jìn)入中試階段的產(chǎn)品，811屬于小試、研發(fā)階段，再用兩年的時間可以進(jìn)入市場的產(chǎn)品，但是811現(xiàn)在已經(jīng)提前進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，也就是說我國現(xiàn)在的狀態(tài)是從532跳過622直接向811發(fā)展，造成現(xiàn)在高比能的這類電池沒有經(jīng)過太多的市場驗(yàn)證、可靠性考核和產(chǎn)品迭代的周期就快速應(yīng)用，把它快速推上了歷史舞臺，所以這個大家要重視。
未來的電池體系包括鋰空氣電池、鋰硫電池和固態(tài)電池，這3類電池中固態(tài)電池在電動汽車上的應(yīng)用會更快一些。到底什么樣的電池是全固態(tài)？什么樣的電池是固液混合態(tài)？現(xiàn)在一般高于5到8安時以上的電池基本上都是固液混合的電池，并不是全固態(tài)，全固態(tài)的電池要想走到完全的產(chǎn)業(yè)化還需要好幾年的時間。
再看鋰空氣電池，我們對它的化學(xué)特性進(jìn)行過詳細(xì)的分析，在使用上它是無限接近于石油，也就是說如果它能用到車上我們就不用再擔(dān)心車輛的續(xù)航里程，但實(shí)際上它的壽命及各方面的問題在很長一段時間內(nèi)是無法解決的，無法滿足車輛要求的壽命。
鋰硫電池目前已經(jīng)有一些應(yīng)用（非車用），但要用到電動汽車上它壽命以及其他的一些問題現(xiàn)在還沒有解決，所以鋰空氣、鋰硫電池離產(chǎn)業(yè)化的距離還會更遙遠(yuǎn)一些，比固態(tài)電池要遙遠(yuǎn)得多。
問題3：2015~2018年電池系統(tǒng)能量密度、成組率變化趨勢
2015年電池的系統(tǒng)能量密度是90Wh/kg，2017年是116Wh/kg，發(fā)展得比較迅速，相對來說還是符合發(fā)展規(guī)律的，但是到了2018年的4月份已經(jīng)達(dá)到了137.5 Wh/kg。為什么從2017年到2018年會有這么大的變化？由于新補(bǔ)貼政策的出臺。
2016年電池系統(tǒng)成組率是63%，2017年是67%，2018年前幾個月是74%，這是平均值。具體而言，2017年電池單體能量密度均值在173Wh/kg，系統(tǒng)均值在116Wh/kg，算出來的67%的成組率，這是從單體能量密度到系統(tǒng)能量密度的差異。
細(xì)分來看2017年磷酸鐵鋰單體能量密度均值143 Wh/kg左右，系統(tǒng)在117 Wh/kg左右，成組率在81%；三元單體在183 Wh/kg左右，系統(tǒng)在115Wh/kg左右，成組率在63%。從這里面可以看出，磷酸鐵鋰和三元單體能量密度差異非常明顯，但到系統(tǒng)層面基本趨于一致，這與成組的技術(shù)有關(guān)，也與電池本身安全要求密切相關(guān)。
磷酸鐵鋰2017年裝車量占50%，三元占43%，磷酸鐵鋰主要應(yīng)用在客車上，電動客車的安全要求決定了裝到客車上的電池基本上只能是磷酸鐵鋰，三元基本上都是用在乘用車上，一個車型一個電池包，而大巴車的設(shè)計現(xiàn)在基本上都是標(biāo)準(zhǔn)箱，不同的車型可以共用標(biāo)準(zhǔn)箱，磷酸鐵鋰可以裝在很多不同的車型上。
為什么它們會有這樣的差異？第一，磷酸鐵鋰本身的安全性很高，它不需要附加太多的安全保護(hù)；第二，磷酸大部分用在商用車，標(biāo)準(zhǔn)箱的設(shè)計本身要求會比較低（商用車的制造本身就比乘用車要求低），所以在PACK集成方面的要求會低一點(diǎn)；然后還有一個重要的原因，它整體的這種遞增趨勢還受到相關(guān)政策對能量密度要求的影響。
想要提升能量密度有兩個辦法：第一緊湊化，在單體能量密度已經(jīng)確定的情況下盡量多塞電池，把里面塞得越緊越好，但是這樣會造成高壓線束等不能按照理想的狀態(tài)排布，這是一個隱患；第二輕量化，把電池包做的盡量輕，而這樣帶來的一個結(jié)果是電池外殼使用的材料在抗機(jī)械碰撞方面的風(fēng)險加大，這也要看能不能滿足實(shí)際使用的需求，如果能夠滿足那也沒有關(guān)系。
問題4：三元體系電池結(jié)構(gòu)分析，方形、軟包和圓柱成組效率
圓柱單體能量密度均值187 Wh/kg，系統(tǒng)均值在117.6 Wh/kg，成組率62.89%；軟包單體能量密度均值171 Wh/kg，系統(tǒng)均值在114.2 Wh/kg，成組率66.78%；方形單體能量密度均值144.17 Wh/kg，系統(tǒng)均值在105.5Wh/kg，成組率73.18%。
圓柱像18650的結(jié)構(gòu)缺陷，排布的時候需要增加冷卻系統(tǒng)以及其他結(jié)構(gòu)的這種排布使得它的成組率降低；方形成組率是最高的，最容易成組的；軟包，它的一個優(yōu)點(diǎn)是單體可以做得很高，但是成組需加支架、散熱措施等，反而它的成組率可能趕不上方形電池，它們在未來的一段時間內(nèi)還會是三分天下的狀態(tài)。
軟包在高比能電池方面的安全風(fēng)險遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于方形，方形電池的容量還不適宜過高，像高比能的三元電池做到70安時以上都是風(fēng)險比較大的。一個大的、高容量、高比能的電池在瞬間熱量釋放的狀態(tài)下，它的泄壓閥如果沒有及時打開，即使及時打開力量也是非常大的，相對來說軟包在這個方面有它的一些優(yōu)勢。
圓柱電池以前有優(yōu)勢是因?yàn)?8650是從消費(fèi)類電子來的，它的生產(chǎn)一致性控制會比較好，但在系統(tǒng)集成的時候?qū)ο到y(tǒng)集成技術(shù)的要求是非常之高的，看特斯拉的專利就知道了，其實(shí)現(xiàn)在方形和軟包生產(chǎn)工藝控制上升的程度已經(jīng)趕超了圓柱，圓柱單體的優(yōu)勢并不是那么明顯了，相反它在結(jié)構(gòu)集成方面的缺點(diǎn)會逐漸暴露出來，比如特斯拉最近的幾起事故基本都是車輛毀掉了，可以看到一旦發(fā)生機(jī)械破壞，它的那種結(jié)構(gòu)的破壞是崩盤式的，雖然18650電池單個的能量并不是那么大，但是當(dāng)能量密度足夠高的時候，瞬間火勢的串起導(dǎo)致了整個崩盤式的起火，事故也是比較危險的。
問題5：電池系統(tǒng)冷卻方式分析，自然冷卻、風(fēng)冷和液冷
我們統(tǒng)計了2017年下半年某時間段的樣本，當(dāng)時96款電池中有86款是自然冷卻，就像剛才講的那樣要想提升系統(tǒng)的能量密度有兩個辦法：一是緊湊化，二是輕量化，緊湊化的一個重要方式就是把能減掉的就減掉。自然冷卻是什么？就是什么也沒有，能夠不考慮風(fēng)冷、液冷，把空間都留給電池，這也導(dǎo)致使用自然冷卻的越來越多。
以前不是這樣的狀態(tài)，在2015、2016年，特別是2016年下半年我們與很多車廠交流，他們的樣品設(shè)計很多是打算采用液冷的，在乘用車基本上都計劃采用液冷方案，但是到2016年底2017年補(bǔ)貼政策出臺的時候，這個狀態(tài)就開始改變了，2017年上半年液冷已經(jīng)明顯減少。
這幾年政策推動對整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是非常有利的，但是在發(fā)展的過程中畢竟會有一些問題存在，而這些問題是會暴露在我們實(shí)際的產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的。
我們比較過不同冷卻方式下電池的狀態(tài)：當(dāng)電池采用風(fēng)冷設(shè)計，電池整體溫度的下降是很明顯的，比如電池原來會升高15度，采用風(fēng)冷后溫升在13度，但是從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口整個電池包內(nèi)部不同位置的溫度差異會明顯增大，這會導(dǎo)致電池單體的差異變大，電池包的劣化會加劇，也就是說如果電池風(fēng)冷設(shè)計技術(shù)不過關(guān)、對電池?zé)釥顟B(tài)、對風(fēng)道流體力學(xué)等不了解，還不如直接采用自然冷卻。再看液冷，當(dāng)液冷排布得比較好的時候，電池單體和整體的溫度控制都比較好。
產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展還是會以市場為導(dǎo)向，企業(yè)需要重視系統(tǒng)集成、系統(tǒng)熱管理、功能安全管理等技術(shù)，這才能是未來企業(yè)的核心競爭力。
問題6：動力電池一致性，電芯的一致性影響電動汽車?yán)m(xù)航里程的功率特性、放電能量特性、電池總壽命以及成本等
電池的一致性影響的不單單是它的性能，還有整體的安全性以及成本。電池的一致性好了，整體成本就會下來，會表現(xiàn)在哪幾個方面？第一你不用換，第二生產(chǎn)制造的成本攤薄。為什么LG和三星前兩年能打價格戰(zhàn)，現(xiàn)在他們還能打價格戰(zhàn)，這與他們生產(chǎn)制造工藝水平是有關(guān)系的。
電池單體的能量密度國內(nèi)是可以做的比較高的，這是單一指標(biāo)，但是再看我們產(chǎn)品的一致性表現(xiàn)，就可以知道它能不能在市場上形成強(qiáng)有力的競爭能力。據(jù)我了解，目前國內(nèi)CPK值最高的企業(yè)是以1.67為天花板的，而三星、LG他們的CPK值是以1.67為基礎(chǔ)的，甚至能達(dá)到2.0，也就意味著100萬只電池里面幾乎沒有次品，所有電池性能是完全一致的，差異是非常非常小的。再看我們1.33的CPK值，電池是這個狀態(tài)，而且這已經(jīng)是經(jīng)過篩選的，不合格的電池已經(jīng)挑選出來了，如此情況下我們的成本怎么跟他們?nèi)ケ容^？他們的CPK值是2.0，沒有最后的分選，電池在制造以后直接就去配組，我們還得花錢買分選的裝備，先把電池選出來。所以這個是非常非常重要的，我們要重視真正的企業(yè)核心競爭力。
注：CPK,過程能力指數(shù),表示過程能力滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的程度,值越大表示品質(zhì)越佳。
問題7：動力電池起火原因分析
總結(jié)分析一下不完全統(tǒng)計的國內(nèi)外電動汽車起火事故，看一下起火的原因。
事故的原因主要有充電起火，占到17%；碰撞起火，占到22%；無事故自燃，占到39%，這部分主要是指從電池部位先開始起火的事故；其他原因占到18%，主要包括電氣線路故障、電線老化、零部件故障等原因引發(fā)的起火，不是電池本身的原因；最后還有浸水起火，占到4%。
問題8：動力電池可用評價
我們在做電池安全性評價的時候更多的會從三個角度來考慮：電池的可用邊界、可控邊界和失控邊界，這三個邊界在電池全生命周期內(nèi)是變化的，電池是一個電化學(xué)載體，所以我們在評價的時候，希望能夠考慮到這幾個方面。
可用評價就是我們會從材料的熱穩(wěn)定性出發(fā)，對電池的安全等級要有一個明確的劃分，知道它的薄弱點(diǎn)是什么、優(yōu)勢是什么，然后要從系統(tǒng)的層級把它的薄弱點(diǎn)給保護(hù)起來，最終我們在系統(tǒng)層級才能得到一個比較好的電池，電池本身是分三六九等，我們要通過系統(tǒng)工程把它用在最好的狀態(tài)。
問題9：動力電池梯次利用是偽命題嗎？
有人認(rèn)為梯次利用是一個偽命題，我們在2012到2014年做過一個國家電網(wǎng)的課題，做了一個梯次利用的示范，當(dāng)時用奇瑞S18淘汰下來的電池做了一個儲能電站，做完以后我們也承認(rèn)它接近一個偽命題，就是很難做、非常非常難做，電池的這種評價，拆下來、再成組、再利用，在性價比方面不合適，經(jīng)濟(jì)效益也不劃算。
但是到2014年底我們在制定編碼制度，在推進(jìn)梯次利用的時候，經(jīng)過詳細(xì)的討論認(rèn)為還是應(yīng)該要做，但是需要重新定位：電池回收必定是一個正向的而且是會推得非?？斓囊粋€課題，電池梯次利用是屬于有條件、有范圍、有要求的梯次利用，就是梯次利用一定是在特定條件下。比如都是大巴車，對這批電池有監(jiān)控，有后期的評估處理，對電池的健康狀態(tài)能夠充分掌握，又有對接的梯次利用場景且對這個應(yīng)用場景的指標(biāo)體系是非常明確的，把這場景的指標(biāo)也列入到電池的評價體系里面，隨時都知道車上的電池拆下來可以用在哪一個領(lǐng)域而且這個領(lǐng)域也已經(jīng)對接好了，然后再做梯次利用，這就是在有條件、有范圍、有要求的情況下去做。
問題10：動力電池發(fā)展需重視的兩大方面
技術(shù)層面
（1）以安全為第一要素，重視性能與安全的最佳平衡；
（2）應(yīng)進(jìn)一步提升動力電池系統(tǒng)集成水平。
產(chǎn)業(yè)層面
（1）應(yīng)該重視生產(chǎn)和使用過程中的一致性；
（2）應(yīng)進(jìn)一步提升優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能；
（3）應(yīng)重視電池的循環(huán)利用和產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。
