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國內動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展：300瓦時(shí)/公斤可實(shí)現
鋰離子動(dòng)力電池有望于2020年前實(shí)現300瓦時(shí)/公斤目標，目前國內外技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強。
目前新能源汽車(chē)專(zhuān)項中有三個(gè)團隊在進(jìn)行2020年實(shí)現300瓦時(shí)/公斤的電池研發(fā)，分別是寧德時(shí)代、天津力神、合肥國軒。
這三個(gè)團隊目前采用的技術(shù)路線(xiàn)基本上大同小異，正極是高鎳三元，負極是硅碳負極，三家企業(yè)的電池技術(shù)指標均已經(jīng)接近應用要求。也就是說(shuō)，計劃要在2020年實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的比能量技術(shù)指標達到300瓦時(shí)/公斤的電池取得了實(shí)質(zhì)性突破。
寧德時(shí)代以軟包電池為主，不是方形電池，電池循環(huán)壽命在1000次左右，能量密度達到304瓦時(shí)/公斤，其300瓦時(shí)/公斤的單體大概能做出200-210瓦時(shí)/公斤的電池PACK系統，安全性指標也全部通過(guò)國家要求。其他兩家也都差不多。
當然，還有部分企業(yè)安全性標準還沒(méi)有完全滿(mǎn)足。
在2017年底、2018年年初，我們國家主要電池企業(yè)能量密度單體已經(jīng)能夠達到230瓦時(shí)/公斤左右，PACK系統大約150瓦時(shí)/公斤左右。
我們2018、2019年只要再提高50-70瓦時(shí)/公斤.就能實(shí)現工信部要求的300瓦時(shí)/公斤指標。
至于單體密度350瓦時(shí)/公斤、系統密度260瓦時(shí)/公斤，歐陽(yáng)教授表示，那是我們力爭的目標。
300—400瓦時(shí)/公斤如何實(shí)現：正負極材料的轉換
要想實(shí)現350瓦時(shí)/公斤或更高的目標，歐陽(yáng)教授介紹說(shuō)，目前有兩類(lèi)新的技術(shù)體系：鋰硫電池、鋰空氣電池，國內外進(jìn)展均相對緩慢，2017年沒(méi)有看到突破性的進(jìn)展。
鋰硫電池重量比能量跟體積比能量基本相當，從原理來(lái)講，鋰硫電池的重量比能量跟體積比能量基本相當，所以?xún)?yōu)化提升體積比能量有相當難度的。
而乘用車(chē)、轎車(chē)電池的體積比能量比重量比能量更重要，如果乘用車(chē)、轎車(chē)的電池每公斤400瓦時(shí)/公斤時(shí)，體積比能量也只有400瓦時(shí)/升，這是不利于電動(dòng)乘用車(chē)應用的。
而鋰離子電池則不同，它的重量比能量300瓦時(shí)/公斤時(shí)，體積比能量就可以達到600瓦時(shí)/升。
另一項技術(shù)鋰空氣電池集合了鋅空電池、氫燃料電池、鋰二次電池的所有難點(diǎn)。相比而言氫燃料電池更具競爭優(yōu)勢。
面向2025年產(chǎn)業(yè)化，我們仍舊想要沖擊單體電池400瓦時(shí)/公斤的目標。這怎么能做到呢。
2017年，中國在高容量富鋰正極材料方面取得了一定突破，基于高容量富鋰正極和高容量硅碳負極的革新型鋰離子電池比鋰硫和鋰-空電池更具可行性。
實(shí)現300瓦時(shí)/公斤實(shí)際上就是是負極從碳變成硅碳，而要想實(shí)現400瓦時(shí)/公斤，我們需要改變的是正極材料。
目前可選的正極材料有好幾種，取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料。國內現在有兩個(gè)單位承擔了前沿基礎項目，其中物理所改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減，電池使用100周之后電壓衰減降到了2%以?xún)�，應該說(shuō)這是一個(gè)重大的進(jìn)展。
另外北京大學(xué)的團隊，研制出了比容量400毫安時(shí)/克的富鋰錳基正極，該材料完全可以實(shí)現400瓦時(shí)/公斤甚至更高的目標。
全球電池技術(shù)熱點(diǎn)：全固態(tài)電池技術(shù)
固態(tài)電池無(wú)疑是2017年全球電池領(lǐng)域熱的一個(gè)技術(shù)名詞。
雖然研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續升溫，但受固/固界面穩定性和金屬鋰負極可充性?xún)纱髥?wèn)題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬負極電池還沒(méi)有成熟，但是以無(wú)機硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池出現突破。
總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，到全固態(tài)。至于負極，會(huì )是從石墨負極，到硅碳負極，我們國家現在正在從石墨負極向硅碳負極轉型，有可能到金屬鋰負極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。
鋰離子電池發(fā)明到現在是25年，全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現的更早。早期所指的全固態(tài)鋰電池，都是指金屬鋰為負極的全固態(tài)金屬鋰電池。
目前固態(tài)電池國內有多家研究機構和產(chǎn)業(yè)單位在做，包括中科院青島能源所、寧波材料所，物理所等，也包括寧德時(shí)代新能源、中航鋰電等。近寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作的固態(tài)電池計劃2019年量產(chǎn)。
所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組份的鋰電池，所以稱(chēng)之為是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。全固態(tài)鋰電池，這個(gè)詞每一個(gè)字都不能少、不能變，比方說(shuō)“全固態(tài)”跟“固態(tài)”是不一樣的，“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個(gè)概念。
全固態(tài)鋰電池又分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，一次電池已經(jīng)有用的。全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池。所謂全固態(tài)金屬鋰電池，就是它的負極用的是鋰金屬，我們國內這類(lèi)產(chǎn)品現在負極用的是碳、硅碳或者鈦酸鋰。
全固態(tài)鋰電池有幾個(gè)潛在的技術(shù)優(yōu)勢：
1安全性高。沒(méi)有有機溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒問(wèn)題。
2 能量密度高。固態(tài)電解質(zhì)解決了電解液泄漏問(wèn)題，體積比能量高。
3 正極材料選擇的范圍寬。因為負極是鋰金屬，正極不含鋰都可以，電解質(zhì)的電壓窗口會(huì )更寬，比能量也可以提高。
4 系統比能量高。由于電解質(zhì)無(wú)流動(dòng)性，可以方便地通過(guò)內串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，利于電池系統成組效率和能量密度的提高。
全固態(tài)鋰電池存在的問(wèn)題：
1固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導率偏低�，F在有三種固態(tài)電解質(zhì)，分別是聚合物、氧化物、硫化物。聚合物電解質(zhì)電池要加熱到60度，離子電導率才上來(lái)，電池才能正常工作。我們目前要突破的是硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。
2 固/固界面接觸性和穩定性差。液體跟固體結合很容易滲透進(jìn)去。但是固體和固體接觸性和穩定性就不是太好了，。硫化物電解質(zhì)雖然鋰離子導電率已經(jīng)提高了，但仍然存在界面接觸性和穩定性問(wèn)題。
3 金屬鋰的可充性問(wèn)題。在固態(tài)電解質(zhì)中，鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長(cháng)問(wèn)題。其循環(huán)性，甚至安全性等還需要研究。
4 制造成本偏高。
基于上述問(wèn)題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現在仍然存在技術(shù)不確定性，是不成熟的�，F存或者有突破的，有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。
固態(tài)鋰離子電池跟全固態(tài)鋰電池有什么區別呢?
固態(tài)電池，不一定是全都是固態(tài)電解質(zhì)，是液態(tài)跟固態(tài)混合的，看混合的比是多大。真正的固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì)；
所謂半固態(tài)電池，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說(shuō)電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的。據此還有準固態(tài)電池，就是主要為固態(tài)、少量是液態(tài)。
現在固態(tài)鋰電池持續升溫，美國、歐洲、日本、韓國、我國，都在投入。
其中美國以小公司，創(chuàng )業(yè)型公司為主，立足于顛覆性技術(shù)。美國有兩家初創(chuàng )公司成績(jì)不俗，一個(gè)是S-akit3，續駛里程能到500公里，一個(gè)Solid—State，還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。
日本基本上是固態(tài)鋰離子電池，著(zhù)名的豐田。豐田固態(tài)鋰離子電池將在2022年實(shí)現商品化。豐田固態(tài)鋰離子電池的負極是石墨類(lèi)，硫化物電解質(zhì)，高電壓正極，單體電池容量15安時(shí)，電壓是十幾V的那種，2022年實(shí)現商品化。
韓國是石墨類(lèi)負極，不是金屬鋰負極。
中、日、韓的情況是類(lèi)似的，因為我們國內已經(jīng)有了上規模的鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈，所以要延續固有的技術(shù)路線(xiàn)，不要推倒重來(lái)，為技術(shù)創(chuàng )新而浪費資源。
與續駛里程相比，電耗更須關(guān)注
根據上面的進(jìn)展分析，以歐陽(yáng)明高為代表的專(zhuān)家組對技術(shù)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢判斷做了一次優(yōu)化迭代具體如下，供行業(yè)參考。
2020年，比能量300瓦時(shí)/公斤、比功率1000瓦時(shí)/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時(shí)以?xún)�，所對應的材料是高鎳三元。我們國內現在正在從鎳：鈷：錳比例3：3：3轉向6：2：2，就是高鎳，鎳變成6，再轉變到8：1：1，鎳變成8，鈷進(jìn)一步降到1，甚至鈷進(jìn)一步降到0.5。負極要從碳負極向硅碳負極轉型。這是我們當前的技術(shù)變革。
到2025年，正極材料方面進(jìn)一步提升性能，包括富鋰錳基材料和其他材料。我們2020~2025年，從300瓦時(shí)/公斤—400瓦時(shí)/公斤，每瓦時(shí)成本從0.6元到0.8元。對應的純電動(dòng)轎車(chē)合理里程約為300—400公里。
到2030年，專(zhuān)家們希望在電解質(zhì)方面取得突破，同時(shí)固態(tài)電池實(shí)現規模產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時(shí)/公斤。2030年，常規的性?xún)r(jià)比車(chē)型應該可以達到500公里以上。
所有這些，都需要其它技術(shù)的配合。因此，歐陽(yáng)明高教授表示，他目前關(guān)注的已經(jīng)不是行駛里程，而是電動(dòng)車(chē)的電耗問(wèn)題，這也是當前整車(chē)集成技術(shù)的核心問(wèn)題。
尤其純電動(dòng)汽車(chē)過(guò)冬，目前仍舊是一個(gè)未能完全解決的問(wèn)題，這當中包括低溫對電池的影響，還有取暖消耗功率偏大等。
雖然這些問(wèn)題技術(shù)都會(huì )逐步得到解決，但歐陽(yáng)明高教授仍舊表示，純電動(dòng)車(chē)永遠都會(huì )存在能量不是過(guò)于充足的問(wèn)題，所以純電動(dòng)車(chē)節能可能是一個(gè)永恒主題。
