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锂电池、固态电池、燃料电池齐头并进 未来动力电池谁主沉浮?

  • 2018年08月09日 09:55
  • 来源:中国汽车报网

新能源汽车的保有量不大,但近年来发展势头良好,增长率远超传统汽车。作为新能源汽车最核心的部件,动力电池的发展一直备受关注。目前,锂电池已深受行业认可,固态电池和燃料电池也以更加优异的性能被寄予厚望,在动力电池领域,可谓路线多元,同步推进。那么,从全球来看,锂电池、固态电池、燃料电池发展情况如何?未来又将谁主沉浮?
    7月19日,在中国汽车技术研究中心有限公司(以下简称“中汽中心”)北京工作部举办的中国新能源汽车动力电池产业发展报告(2018)发布暨产业发展研讨会上,多位专家详细介绍了三种动力电池的全球状况以及在我国的发展水平。
    ♦锂电池成本大幅下降
  据了解,近年来欧盟加快了推进节能减排的计划,2017年G20汉堡峰会上,除美国之外的19个成员国对于进一步促进节能减排达成共识,并纷纷制定燃油车禁售时间表,其中最早的将从2025年开始执行“禁燃”计划,最迟的也不会晚于2040年。这也说明,新能源汽车将会迎来更快速的发展期。
  有研究数据表明,一辆电动汽车与一辆原型燃油车同样行驶20万公里,电动汽车可以减少CO2排放近10万吨。“这是欧洲各国积极推进节能减排计划的主要原因。”中汽中心动力电池产业发展研究室总监方凯正说。
  在各国政策的引导下,多家车企加快了发展电动汽车的步伐。大众汽车集团表示,至2025年,大众汽车集团旗下各品牌将推出80款全新的电动车型,销量也将达到300万辆。以一辆车安装50kWh电池计算,这意味着大众汽车电池需求将达到150GWh。此外,沃尔沃、通用、丰田等汽车企业都推出了电动汽车发展战略。
  另外,去年,第八届清洁能源部长会议(EVI)发布了EV30@30运动,为所有EVI成员设定了2030年实现电动车市场份额达到30%的愿景,届时电动汽车保有量将有可能达到2.2亿辆,其中纯电动汽车1.3亿辆,插电式混合动力汽车0.9亿辆。在市场需求带动下,动力电池的年需求量也将达到2.1TWh,其中中国将占1/3,欧洲与美国合计占28%,日本占3%。届时轻型乘用车的电池能量将达到70~80kWh。可见,未来汽车产业对动力电池的需求量将急剧提升。
  目前,在动力电池领域,锂离子电池已成主流,且随着技术的发展,成本已大幅下降,尤其是电池高镍化的发展带来了金属钴用量的进一步下降,这让锂电池受钴价上涨波动影响变小。“采用‘811体系’之后,锂电池成本已降至190美元/kWh(约合人民币1295.88元/kWh),动力电池的成本越来越接近商业化。”方凯正说。
  有业内人士向《中国汽车报》记者透露,现在有些中国企业已将电池成本控制在了1000元/kWh以下,而动力电池的成本只要达到600元/kWh,就可具备与传统汽车同等的竞争力。
  ♦固态电池成新竞争点
  在锂离子电池大行其道的当下,锂离子电池遭遇天花板的观点也引起广泛讨论,为弥补锂离子电池技术不足,另一电池形态成为行业新一轮竞争热点,即固态电池。目前,固态电池以安全性高、容量大被行业看好,成为全球动力电池争夺的制高点之一。最近一段时间,各国在固态电池上动作频频,纷纷加大了研发力度。
  6月15日,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)宣布,其将与丰田汽车、松下启动新一代高效电池“全固态电池”的开发,力争2022年前确立技术。目前日本几乎举全产业之力投入到固态电池研发之中,其中包括23家汽车、电池、材料企业,15家学术机构,包括京都大学、日本理化所等全部加入进来,总计投入100亿日元。事实上,这是日本的第二期固态电池研发项目,早在2017年5月,日本经济省就宣布出资16亿日元,联合丰田、松下、GS汤浅等国内顶级产业链力量,共同研发固态电池,希望2030年实现800公里续驶里程目标。
  韩国也不甘落后,目前,三星SDI、LG化学等都投入到固态电池的研发之中。据外媒报道,三星Note 7手机电池起火严重影响了品牌形象,这促使三星加大了固态电池的研发力度。据了解,三星的固态电池可能最初应用于手机上,下一步将开发车用动力固态电池。此外,LG化学也在研究固态电池,据称技术水平与三星不相上下。
  而在德国,大众汽车集团对固态电池也极为重视。近日,大众汽车集团宣布向加州初创公司QuantumScape注资1亿美元,用于固态电池的开发和量产。据了解,QuantumScape目前已拥有超过200项固态电池技术专利,计划2025年研发出可以量产的固态电池;宝马汽车也宣布携手电池技术公司SolidPower共同研发全新固态电池;德国大陆集团前不久表示也在加大固态电池技术的投资。
  对于固态电池的研发,我国也丝毫没有松懈。2017年四部委印发的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出,积极推动锂硫电池、金属空气电池、固态电池等新体系电池的研究和工程化开发,2020年单体电池比能量达到400Wh/kg以上、2025年达到500Wh/kg。
  目前,国内固态电池技术的研究已经取得不小进步。据了解,中科院已有五个团队在不同程度上取得突破。中科院化学所郭玉国团队的聚醚-丙烯酸酯新型双功能聚合物电解质,可用于室温固态金属锂电池;中科院宁波材料所许晓雄团队研发的无机陶瓷固态电池正与赣峰锂业合作尝试产业化;中科院青岛生物能源所崔光磊团队研发的固态电池已用于蛟龙号深潜器,完成了马里亚纳海沟的测试;中科院上海硅酸盐研究所郭向欣团队研发出了2Ah级固态锂离子电池;中科院物理所李泓团队推出了10Ah软包电芯固态电池。
  北京卫蓝新能源科技有限公司总经理助理向晋说:“目前还没有企业展示兼具高能量密度、高安全性的大容量全固态动力电池。就研发水平而言,日韩处于领先地位,我国仅有少数企业拥有核心技术,竞争日趋激烈。”
  就具体技术而言,目前,法国Batscap-Bollore公司固态电池能量密度达到了220Wh/Kg,1500次循环后容量仍超过96%,电池容量为10~30Ah,已成功应用于Autolib四轮小型汽车,保有量达到4000辆;美国Sakti3公司固态电池产品达到了1000Wh/L,容量为10~50mAh;在日本,丰田的固态电池达到230Wh/Kg,容量为2.4~15Ah,进入小型平板车试用阶段,预计2022年上市;在我国,中科院宁波材料所的固态电池处于中试阶段。中科院青岛所的固态电池达到297Wh/Kg,容量为10Ah,还处于研发阶段。
  向晋说:“无论是聚合物还是硫化物固态电池,都存在技术难题,但固态电池的安全性明显优于锂电池,通过使用新技术、新方法解决集流体、侧界面、隔膜/电解液等七大问题,可以确保固态电池的安全。”
  全球来看,目前固态电池仍处于研发阶段,离商业化还有一段距离,在向晋看来,固态电池实现商业化需要满足多个技术条件:整个系统仅含5~10个大电芯、电芯电压达到48~60V、电芯容量达到100~200Ah、系统重量比能量超过300Wh/Kg、系统体积比能量超过500Wh/L、整车续驶里程超过600公里、系统成本达到0.5~1.0元/Wh等。
  ♦燃料电池仍待技术突围
  与电动汽车发展同步推进的还有燃料电池汽车,近年来,我国加快了燃料电池汽车的发展步伐,并提供了一系列政策支持。在这一过程中,燃料电池的研发也是备受关注。
  在国家政策的支持下,多次承担国家燃料电池重大项目的大连新源动力股份有限公司已经取得不少成果,该公司副总工程师邢丹敏介绍,新源公司已研发成功第二代系统FCS200,功率为30~60kW,工作温度为-10~70℃,工作寿命为5000小时;正在研发的第三代系统FCS300,功率达到80~100kW,工作温度为-30~70℃,工作寿命为5000小时。
  另外,新源公司的电堆门类较齐全,成品涉及乘用车、商用车电堆领域。最新研制的MOD400电堆,采用金属双极工艺,有效解决了高低电流密度区的水平衡问题,伏安性能与日本丰田Mirai电堆接近。在耐久性方面,新源公司也掌握了自己的一套方法,从最初的1000小时,到现在突破5000小时,下一步还将争取达到1万小时。邢丹敏说:“燃料电池汽车的示范运行是‘十一五’时期的主要目标,‘十三五’时期的指标更加细致。60kW车用燃料电堆功率密度将达到2.0kW/L,寿命达到5000小时,低温启动在-20℃左右;100kW的车用燃料电堆功率密度将达到3.1kW/L,寿命长达5000小时,低温启动在-30℃左右。”
  不过,不得不承认的是,目前,我国燃料电池与国际先进水平还有一定差距,输出功率方面,国内水平是60kW,国际水平为110kW;电流密度方面,国内是2.0kW/L,国际则是大于3.0kW/L;金属铂(Pt)用量上,国内是0.4g/kW,国际是0.2g/kW;其他方面,国内水平与国际先进水平齐头并进。

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