中國儲能網(wǎng)訊：對中國動力電池行業(yè)而言，已落下帷幕的2020年或許是一個節(jié)點。過去10年，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展，完成了從政策驅(qū)動向市場驅(qū)動的轉(zhuǎn)變，在其背后則是整車核心零部件——動力電池性能的不斷向上求索。
“一代正極材料，一代動力電池”，從錳酸鋰到磷酸鐵鋰和三元鋰，動力電池行業(yè)從未停止技術(shù)創(chuàng)新的腳步。在新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新發(fā)展階段的當(dāng)下，動力電池的技術(shù)創(chuàng)新也正在揭開新的篇章。下一代動力電池，正在從根本的材料方面尋求突破。毫無疑問，未來10年將是動力電池發(fā)生根本性技術(shù)變革的10年。
鋰電池是電動化中堅力量
石墨作為負(fù)極，過渡金屬的氧化物材料作為正極，再加上正負(fù)極之間的液體電解液組成了鋰離子電池?！斑^去是鋰離子電池支撐了新能源汽車的發(fā)展?！敝袊茖W(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰在中國電動汽車百人會論壇（2021）上如此表示。新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，一代代鋰離子電池成為了中堅力量。
作為“古老”的第一代正極材料，錳酸鋰已逐步退出汽車的歷史舞臺。黃學(xué)杰介紹道，錳酸鋰電池從首次被報道至今過去了三十多年，得益于錳酸鋰的低成本、高安全和環(huán)境適應(yīng)性，配裝錳酸鋰電池的日產(chǎn)聆風(fēng)全球累計銷量已突破50萬輛。不過，由于第一代動力電池的比能量較低，后來便逐漸被磷酸鐵鋰和三元鋰電池所取代?，F(xiàn)在，第一代動力電池仍舊在電動兩輪車、電動三輪車上釋放著自己的生命力。
在黃學(xué)杰看來，磷酸鐵鋰電池為中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，之后也將為儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。磷酸鐵鋰電池雖在長壽命和高安全性方面優(yōu)勢明顯，但同時也具備電壓低、材料密度低、比能量低的不足。不過，近年來，磷酸鐵鋰電池的能量密度得到大幅提升。通過優(yōu)化電池和電池組以及PACK設(shè)計，比亞迪配裝磷酸鐵鋰電池的電動車型續(xù)駛里程可達(dá)600公里。今年年初，國軒高科發(fā)布了磷酸鐵鋰電池芯片，單體電池比能量可達(dá)210Wh/kg，2022年的目標(biāo)是230Wh/kg。記者了解到，2020年，我國動力電池裝機(jī)量累計為63.6GWh，磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量累計為24.4GWh，占總裝機(jī)量的38.3％。
目前，占據(jù)動力電池主流技術(shù)路線的則是三元鋰電池。三元鋰電池由于高比能量的優(yōu)勢，受到高端乘用車型的青睞。目前頭部企業(yè)已在生產(chǎn)、銷售300Wh/kg的三元鋰電池，車輛續(xù)駛里程可達(dá)700公里以上。不過，三元鋰電池的安全性問題也讓其發(fā)展遇到了一定的瓶頸。
材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新從未停止
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，動力電池在材料和結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新也在不斷推進(jìn)。為了在能量密度、安全、壽命、快充等方面尋找平衡，行業(yè)一直在針對第三代液態(tài)鋰離子電池的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。中國科學(xué)院院士歐陽明高指出，動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，輔以單體材料改進(jìn)，成為近年來中國動力電池技術(shù)創(chuàng)新的鮮明特征。
對于正極材料來講，目前三元鋰電池在往“減鈷加鎳”的方向發(fā)展。黃學(xué)杰認(rèn)為，今后三元鋰電池提升能量密度的大方向不變，前提是要減少鈷的比例和用量，逐漸擺脫對貴金屬的依賴。對于磷酸鐵鋰來講，正極的發(fā)展方向則是尖晶石鎳錳酸鋰。磷酸鐵鋰的正極材料得到改變后，最直觀的好處就是可將電壓從平均3.4V提升到平均3.7V。據(jù)悉，目前磷酸鐵鋰動力電池的性價比最優(yōu)，單體電池成本已下降至低于0.5元/Wh。在規(guī)模擴(kuò)大之后，磷酸鐵鋰電池的成本還能夠進(jìn)一步降低。
記者還了解到，在三元鋰電池能量密度不斷提升的同時，要從現(xiàn)有的重量比能量（Wh/kg），進(jìn)一步考量體積比能量（Wh/L），以滿足在有限空間內(nèi)布置電池的實際需求。“電動汽車發(fā)展到今天，對于乘用車和商用車來講，更重要的不是減重，而是縮小電池體積?！秉S學(xué)杰表示，行業(yè)更應(yīng)關(guān)注動力電池的體積能量密度，而非比能量密度。
隨著材料的改變，動力電池行業(yè)也逐漸出現(xiàn)了很多“熱詞”。針對“無鈷”的爭議，黃學(xué)杰指出，無鈷正極有兩層意思，一是指磷酸鐵鋰、鎳錳酸鋰這類完全無鈷的材料，一是說鈷含量低于1％。此前，廣汽集團(tuán)也發(fā)布公告解釋了新亮相的兩項動力電池技術(shù)。石墨烯基超級快充電池與長續(xù)航硅負(fù)極電池是兩種不同的技術(shù)，分別解決“充電速度慢”、“續(xù)駛里程短”這兩個動力電池應(yīng)用中的不同“痛點”。其中，石墨烯基超級快充電池已按計劃進(jìn)入實車測試階段，預(yù)計年內(nèi)首次配裝現(xiàn)有AION V車型；硅負(fù)極電池也已按計劃進(jìn)入實車測試階段，預(yù)計年內(nèi)首次配裝現(xiàn)有AION LX車型。
如今，第三代傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池也已在動力電池市場應(yīng)用整整10年，但其熱失控、低溫衰減等問題卻始終未被完全解決，安全與能量密度相互矛盾。2020年，為推動新能源汽車快速發(fā)展，CTP技術(shù)、刀片電池、果凍電池等最新技術(shù)陸續(xù)發(fā)布，動力電池已然進(jìn)入新的技術(shù)變革周期。
將迎固態(tài)電池破壁的10年
新一代電池的研究方向，正在從最根本的材料方面做出突破，逐漸過渡到全固態(tài)電池。中國工程院院士陳立泉表示，固態(tài)鋰電池的負(fù)極材料可以是納米硅和石墨的復(fù)合負(fù)極，正極可以是高電壓錳酸鋰、也可以是富鋰錳基材料或不含鋰的正極材料，電解質(zhì)是固體電解質(zhì)，比能量可以達(dá)到300～450Wh/kg。
據(jù)介紹，固態(tài)電池帶來的革命，將不僅是電解質(zhì)材料的升級，還涉及動力電池的材料、制造方法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)材料從有機(jī)可燃的液態(tài)（電解液）到無機(jī)不可燃的固態(tài)，不僅適用于鋰離子電池，同樣還能在鈉離子電池、鋰空氣電池（以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物，結(jié)構(gòu)類似于干電池）等產(chǎn)品中應(yīng)用。
最近，蔚來汽車發(fā)布了150Wh的固態(tài)電池，在行業(yè)內(nèi)引起了軒然大波。記者了解到，國內(nèi)關(guān)于固態(tài)電池的研究一直在進(jìn)行中。陳立泉提到，中科院物理研究所自1976年起就開始研究固體電解質(zhì)材料，并在2016年成立了衛(wèi)藍(lán)新能源公司，2018年比能量達(dá)到300Wh/kg的固態(tài)電池進(jìn)行了樣車試驗，現(xiàn)在固態(tài)電池產(chǎn)品已供給無人機(jī)使用。
其實，關(guān)于固態(tài)電池核心材料，現(xiàn)在預(yù)鋰化需要的鋰箔和涂固體電解質(zhì)粉料的隔膜都已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。日前，寧德時代公開了“一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法”、“一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法”兩種固態(tài)電池相關(guān)專利。比亞迪也公布了“一種正極材料及其制備方法、一種固態(tài)鋰電池”、“一種鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法和固態(tài)鋰離子電池”兩項專利。一場關(guān)于固態(tài)電池的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化競爭已拉開帷幕。
在陳立泉看來，再下一代動力電池就是遠(yuǎn)期的鋰硫電池或鋰空氣電池。黃學(xué)杰認(rèn)為，液態(tài)的鋰硫電池有最高的比能量，未來10年預(yù)計也會走向固態(tài)化?！拔磥?0年將是固態(tài)電池破壁的10年。”黃學(xué)杰表示，“到2030年，電動汽車在經(jīng)濟(jì)性上可以戰(zhàn)勝燃油車，比能量500Wh/kg以上的固態(tài)電池將走向適用?！?
