新能源汽車的保有量不大,但近年來發(fā)展勢頭良好,上升率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)汽車。作為新能源汽車最核心的部件,動力鋰離子電池的發(fā)展一直備受關(guān)注。目前,鋰離子電池已深受行業(yè)認(rèn)可,固態(tài)電池和燃料動力鋰電池也以更加優(yōu)異的性能被寄予厚望,在動力鋰離子電池范疇,可謂路線多元,同步推進。那么,從全球來看,鋰離子電池、固態(tài)電池、燃料動力鋰電池發(fā)展情況要怎么樣?將來又將誰主沉浮?

七月十九日,在我國汽車技術(shù)研究中心有限公司(以下簡稱“中汽中心”)北京工作部舉辦的我國新能源汽車動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2018)公布暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會上,多位專家具體解析了三種動力鋰離子電池的全球狀況以及在我國的發(fā)展水平。

鋰離子電池成本大幅下降

據(jù)了解,近年來歐盟加快了推進節(jié)能減排的計劃,2017年G20漢堡峰會上,除美國之外的19個成員國有關(guān)進一步促使節(jié)能減排達(dá)成共識,并紛紛制定燃油車禁售時間表,其中最早的將從2025年開始執(zhí)行“禁燃”計劃,最遲的也不會晚于2040年。這也說明,新能源汽車將會迎來更快速的發(fā)展期。

有研究數(shù)據(jù)聲明,一輛電動汽車與一輛原型燃油車同樣行駛20萬公里,電動汽車可以減少CO2排放近10萬噸。“這是歐洲各國積極推進節(jié)能減排計劃的緊要原由。”中汽中心動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究室總監(jiān)方凱正說。

在各國政策的引導(dǎo)下,多家車企加快了發(fā)展電動汽車的步伐。大眾汽車集團表示,至2025年,大眾汽車集團旗下各品牌將推出80款全新的電動汽車型,銷量也將達(dá)到300萬輛。以一輛車安裝50kWh電池計算,這意味著大眾汽車電池需求將達(dá)到150GWh。此外,沃爾沃、通用、豐田等汽車公司都推出了電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略。

另外,去年,第八屆清潔能源部長會議(EVI)公布了EV30@30運動,為所有EVI成員設(shè)定了2030年實現(xiàn)電動汽車市場份額達(dá)到30%的愿景,屆時電動汽車保有量將有可能達(dá)到2.2億輛,其中純電動汽車1.3億輛,插電式混合動力汽車0.9億輛。在市場需求帶動下,動力鋰離子電池的年需求量也將達(dá)到2.1TWh,其中我國將占1/3,歐洲與美國合計占28%,日本占3%。屆時輕型乘用車的電池能量將達(dá)到70～80kWh。可見,將來汽車產(chǎn)業(yè)對動力鋰離子電池的需求量將急劇提升。

目前,在動力鋰離子電池范疇,鋰離子電池已成主流,且隨著技術(shù)的發(fā)展,成本已大幅下降,尤其是電池高鎳化的發(fā)展帶來了金屬鈷用量的進一步下降,這讓鋰離子電池受鈷價上漲波動影響變小。“采用‘811體系’之后,鋰離子電池成本已降至190美元/kWh(約合人民幣1295.88元/kWh),動力鋰離子電池的成本越來越接近商業(yè)化。”方凱正說。

有業(yè)內(nèi)人士向記者透露,今朝有些我國公司已將電池成本控制在了1000元/kWh以下,而動力鋰離子電池的成本只要達(dá)到600元/kWh,就可具備與傳統(tǒng)汽車同等的競爭力。

固態(tài)電池成新競爭點

在鋰離子電池大行其道的當(dāng)下,鋰離子電池遭遇天花板的觀點也引起廣泛討論,為彌補鋰離子電池技術(shù)不足,另一電池形態(tài)成為行業(yè)新一輪競爭熱點,即固態(tài)電池。目前,固態(tài)電池以安全性高、容量大被行業(yè)看好,成為全球動力鋰離子電池爭奪的制高點之一。最近一段時間,各國在固態(tài)電池上動作頻頻,紛紛加大了研發(fā)力度。

六月十五日,日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)宣布,其將與豐田汽車、松下啟動新一代高效電池“全固態(tài)電池”的開發(fā),力爭2022年前確立技術(shù)。目前日本幾乎舉全產(chǎn)業(yè)之力投入到固態(tài)電池研發(fā)之中,其中包括23家汽車、電池、材料公司,15家學(xué)術(shù)機構(gòu),包括京都大學(xué)、日本理化所等全部加入進來,總計投入100億日元。事實上,這是日本的第二期固態(tài)電池研發(fā)項目,早在2017年五月,日本經(jīng)濟省就宣布出資16億日元,聯(lián)合豐田、松下、GS湯淺等國內(nèi)優(yōu)秀產(chǎn)業(yè)鏈力量,共同研發(fā)固態(tài)電池,希望2030年實現(xiàn)800公里續(xù)駛里程目標(biāo)。

韓國也不甘落后,目前,三星SDI、LG化學(xué)等都投入到固態(tài)電池的研發(fā)之中。據(jù)外媒報道,三星Note7手機電池起火嚴(yán)重影響了品牌形象,這促使三星加大了固態(tài)電池的研發(fā)力度。據(jù)了解,三星的固態(tài)電池可能最初使用于手機上,下一步將開發(fā)車用動力固態(tài)電池。此外,LG化學(xué)也在研究固態(tài)電池,據(jù)稱技術(shù)水平與三星不相上下。

而在德國,大眾汽車集團對固態(tài)電池也極為重視。近日,大眾汽車集團宣布向加州初創(chuàng)公司QuantumScape注資1億美元,用于固態(tài)電池的開發(fā)和量產(chǎn)。據(jù)了解,QuantumScape目前已擁有超過200項固態(tài)電池技術(shù)專利,計劃2025年研發(fā)出可以量產(chǎn)的固態(tài)電池;寶馬汽車也宣布攜手電池技術(shù)公司Solidpower共同研發(fā)全新固態(tài)電池;德國大陸集團前不久表示也在加大固態(tài)電池技術(shù)的投資。

有關(guān)固態(tài)電池的研發(fā),我國也絲毫沒有松懈。2017年四部委印發(fā)的《促使汽車動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動辦法》提出,積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態(tài)電池等新體系電池的研究和工程化開發(fā),2020年單體電池比能量達(dá)到400Wh/kg以上、2025年達(dá)到500Wh/kg。

目前,國內(nèi)固態(tài)電池技術(shù)的研究已經(jīng)取得不小進步。據(jù)了解,中科院已有五個團隊在不同程度上取得沖破。中科院化學(xué)所郭玉國團隊的聚醚-丙烯酸酯新型雙功能聚合物電解質(zhì),可用于室溫固態(tài)金屬鋰離子電池;中科院寧波材料所許曉雄團隊研發(fā)的無機陶瓷固態(tài)電池正與贛峰鋰業(yè)合作嘗試產(chǎn)業(yè)化;中科院青島生物能源所崔光磊團隊研發(fā)的固態(tài)電池已用于蛟龍?zhí)柹顫撈?完成了馬里亞納海溝的探測;中科院上海硅酸鹽研究所郭向欣團隊研發(fā)出了2Ah級固態(tài)鋰離子電池;中科院物理所李泓團隊推出了10Ah軟包電芯固態(tài)電池。

北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司總經(jīng)理助理向晉說:“目前還沒有公司展示兼具高能量密度、高安全性的大容量全固態(tài)動力鋰離子電池。就研發(fā)水平而言,日韓處于領(lǐng)先地位,我國僅有少數(shù)公司擁有核心技術(shù),競爭日趨猛烈。”

就詳盡技術(shù)而言,目前,法國batscap-bollore公司固態(tài)電池能量密度達(dá)到了220Wh/Kg,1500次循環(huán)后容量仍超過96%,電池容量為10～30Ah,已成功使用于Autolib四輪小型汽車,保有量達(dá)到4000輛;美國Sakti3公司固態(tài)電池產(chǎn)品達(dá)到了1000Wh/L,容量為10～50mAh;在日本,豐田的固態(tài)電池達(dá)到230Wh/Kg,容量為2.4～15Ah,進入小型平板車試用階段,預(yù)計2022年上市;在我國,中科院寧波材料所的固態(tài)電池處于中試階段。中科院青島所的固態(tài)電池達(dá)到297Wh/Kg,容量為10Ah,還處于研發(fā)階段。

向晉說:“無論是聚合物還是硫化物固態(tài)電池,都存在技術(shù)難題,但固態(tài)電池的安全性分明優(yōu)于鋰離子電池,通過使用新技術(shù)、新辦法處理集流體、側(cè)界面、隔膜/電解液等七大問題,可以確保固態(tài)電池的安全。”

全球來看,目前固態(tài)電池仍處于研發(fā)階段,離商業(yè)化還有一段距離,在向晉看來,固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化要滿足多個技術(shù)條件:整個系統(tǒng)僅含5～10個大電芯、電芯電壓達(dá)到48～60V、電芯容量達(dá)到100～200Ah、系統(tǒng)重量比能量超過300Wh/Kg、系統(tǒng)體積比能量超過500Wh/L、整車?yán)m(xù)駛里程超過600公里、系統(tǒng)成本達(dá)到0.5～1.0元/Wh等。

燃料動力鋰電池仍待技術(shù)突圍

與電動汽車發(fā)展同步推進的還有燃料動力鋰電池汽車,近年來,我國加快了燃料動力鋰電池汽車的發(fā)展步伐,并供應(yīng)了一系列政策支持。在這一過程中,燃料動力鋰電池的研發(fā)也是備受關(guān)注。

在國家政策的支持下,多次承擔(dān)國家燃料動力鋰電池重大項目的大連新源動力股份有限公司已經(jīng)取得不少成果,該公司副總工程師邢丹敏解析,新源公司已研發(fā)成功第二代系統(tǒng)FCS200,功率為30～60kW,工作溫度為-10～70℃,工作壽命為5000小時;正在研發(fā)的第三代系統(tǒng)FCS300,功率達(dá)到80～100kW,工作溫度為-30～70℃,工作壽命為5000小時。

另外,新源公司的電堆門類較齊全,成品涉及乘用車、商用車電堆范疇。最新研制的MOD400電堆,采用金屬雙極工藝,有效處理了高低電流密度區(qū)的水平衡問題,伏安性能與日本豐田Mirai電堆接近。在耐久性方面,新源公司也掌握了自己的一套辦法,從最初的1000小時,到今朝沖破5000小時,下一步還將爭取達(dá)到1萬小時。邢丹敏說:“燃料動力鋰電池汽車的示范運行是‘十一五’時期的緊要目標(biāo),‘十三五’時期的指標(biāo)更加細(xì)致。60kW車用燃料電堆功率密度將達(dá)到2.0kW/L,壽命達(dá)到5000小時,低溫啟動在-20℃左右;100kW的車用燃料電堆功率密度將達(dá)到3.1kW/L,壽命長達(dá)5000小時,低溫啟動在-30℃左右。”

不過,不得不承認(rèn)的是,目前,我國燃料動力鋰電池與國際先進水平還有一定差距,輸出功率方面,國內(nèi)水平是60kW,國際水平為110kW;電流密度方面,國內(nèi)是2.0kW/L,國際則是大于3.0kW/L;金屬鉑(pt)用量上,國內(nèi)是0.4g/kW,國際是0.2g/kW;其他方面,國內(nèi)水平與國際先進水平齊頭并進。