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动力电池之痛:革命性产品尚未出现
来源:kok平台 | 作者:kok平台买球赛hiveyan | 发布时间: 2021-06-17 14:20:26 | 21 次浏览 | 分享到:

  如何解决好能量密度、安全性以及散热等问题,将是电池技术取得进步的关键因素。但目前来看,动力电池的革命性产品尚未出现。

  作为为提供能源的载体,电池一直被视为新能源汽车最为核心的技术之一。多年来,不同厂家选择不同的技术路线专研电池技术,先后出现了多个体系。但目前发展情况仍然不尽如人意,迄今为止,电池技术依然是全世界新能源汽车尤其是电动汽车发展中的一块短板。

  “如何解决好能量密度、安全性以及散热等问题,将是电池技术取得进步的关键因素。”国家“千人计划”专家、中国科学院宁波工程研究院新能源技术研究所副所长韩伟强在接受本刊记者采访时这样说道。但目前来看,“动力电池的革命性产品尚未出现。”

  《千人》:动力电池技术是新能源汽车发展的基础与技术核心所在。目前,动力电池需要解决哪些方面的问题?

  韩伟强:对于新能源汽车来说而言,动力电池就是为电动汽车提供动力来源的电源,是其心脏命脉所在。应该说,动力电池是“新能源”和“汽车”之间不可或缺的连接杆,没有动力电池,也就无从谈起新能源汽车。而汽车动力电池需要满足“低成本、高容量、高安全性”这三个方面的需求。

  韩伟强:目前,市场上的动力电池主要分为铅酸电池及改良体系、镍氢电池和锂离子电池三类。铅酸电池的最大优势是价格低,但由于铅是重金属,其能量密度与纯电动汽车的要求仍有非常大的差距。加之之前的“血铅事件”,大家对铅酸电池的污染能力有了更深刻的认识,如果严格执行环保标准,铅酸电池的成本优势也将会大打折扣。

  镍氢电池曾应用于第一代混合动力汽车丰田Pruise,在电动汽车领域拥有很高的声望。镍氢电池的体积比能量密度与锂离子电池接近,使用水基电解液,在初期表现出较强的竞争优势。然而,镍氢电池的负极材料是储氢合金,性能稳定的储氢合金主要原料是稀土,由于中国政府对稀土资源的重视,储氢合金的价格已经悄然发生变化,导致镍氢电池的成本走高,所以镍氢电池在动力电池市场的竞争力并不为业界看好。

  因此,相比之下,锂离子电池动力电池具有更大优势,比如工作电压高,比能量大,是镍氢电池的3倍,同时体积相对较小,质量轻,而且循环寿命长,自放电率低,无记忆效应,无污染等。加之,锂资源又相对较为丰富,价格也不很贵。当下,国内使用的动力锂离子电池体系主要是石墨/磷酸铁锂,韩国、日本使用的材料比较多,正极以三元材料和尖晶石锰酸锂为主,负极材料包括石墨、硬碳和软炭。

  韩伟强:是的。近年来国际上的主要研究机构和汽车厂商都在研究、开发这个体系,近期推出的和即将推出的多款纯动力和混合动力汽车,基本都采用锂离子电池技术。如美国福特、克莱斯勒,日本的丰田、三菱、日产,韩国现代,法国Courreges、Ventury等,国内汽车厂商如比亚迪、吉利、奇瑞、力帆等也纷纷选择在自己的新能源汽车上搭载的动力锂电池。

  韩伟强:锂离子动力电池的安全性问题一直备受诟病。由于使用有机溶剂做电解液,这些溶剂是可燃的,有可能会带来灾难性的后果,众泰和比亚迪电动汽车曾经发生的“起火事件”都是这个原因。同时,目前使用动力锂离子电池的商业化电动汽车还存在一次充电续驶里程及电池寿命偏短等诸多问题,比如2013 年新款日产聆风广告值为199 公里,实际路况测试大概只有125 公里左右,因而只能满足短程运行,这极大地阻碍了消费者的购买热情。除此之外,纯电动汽车所用锂离子电池的成本占到整车的近一半,因而推高了纯电动汽车的价格。

  正因为此,纯电动汽车在与混合动力汽车在当今电动汽车市场的竞争中明显处于劣势,而且我认为这种局面在短时间内还很难改变,这些问题需要新的锂电池技术来解决。理想情况下,续驶里程提高四倍,成本降低四倍,并解决安全性问题。我认为,锂空气电池和全固态锂电池可能是好的解决方案,虽然离实用尚远。

  韩伟强:以材料技术来分,目前国际上锂电池主要技术路线有两条,以电池技术处于国际前列的韩国、日本为例,它们的技术路线基本一致,在材料方面,正极以三元材料和锰酸锂的混合物为主,负极以石墨为主,也有部分企业使用硬碳、软炭。比如Nissan Leaf,正极材料使用的就是三元+锰酸锂,负极材料是石墨。而美国和中国的技术路线保持一致,主打磷酸铁锂电池。从技术和应用角度看,锰酸锂占了一定优势。

  除材料技术外,电池的制造技术也是至关重要。一组动力电池都有几百个单体串并联组成,电池的一致性、热管理、冷却系统等,对电池的综合性能都有决定性的影响。

  提到技术难点,对于一个产业,无时不刻不在平衡性价比,目前世界动力电池技术已经能够使汽车在路上跑了,电动汽车发展较慢的核心原因是在性价比方面还不能胜过内燃机汽车,发展的方向仍然是性能更好、价格更便宜。对于一项具体技术,只有全做好了,才是产品,有一点没做好,都是废品。如果非要说难点,难点就是要做到精细,包括对机理的理解、生产的控制、电池使用中的监控等等。

  韩伟强:虽然国内的生产型企业很多,但我国的动力电池技术依然非常薄弱。我们对材料的精细修饰、匹配性研究等方面做得比较粗糙,延续了中国产品“能用、便宜、但不好用”的特色。比如,日本企业的生产线个左右的质量控制点,整个生产流程都在干燥间内完成,最大程度避免了水份的影响。我国电池生产企业的质量控制点一般为20个左右,好的企业能够达到50,控制的严格程度与日本有较大的差距。

  我们技术水平落后于韩国、日本,领先于欧洲和美国,因为欧美没有电池产业,培养出产业链的产业精英需要相当长的时间。在与韩国和日本的差距方面,我们的问题是特 别注重商业技巧,近年来,锂离子电池领域的投资还是非常迅猛的,投资过亿的项目就有几十个,期待动力电池的井喷。但是,动力电池并没有预期般迅速到来,而我们在电池技术的精细控制、跨学科合作方面做得都还不够。

  《千人》:业界关于电动汽车使用锂动力电池还是燃料电池的讨论由来已久,您怎么看待?

  韩伟强:燃料电池的本质是发电机,是一个开放体系,不需要充电,理论上可以持续放电至燃料或氧气供给中断为止,对于车载体系,燃料种类(氢气、甲醇)对于一次续航里程有非常重要的影响,燃料补充也会非常容易,接近于汽车加油。

  动力电池是一个封闭体系,它的最大能量已经确定,即有一个确定的里程极限。电池充电需要较长时间,如果更换电池,需要非常专业的设备和场地,在北京奥运会和上海世博会,大家都看到了这些专业换电站的工作方式。

  对于未来电动汽车以燃料电池为主还是锂离子电池为主尚无定论,这一讨论势必还会持续下去。我个人认为,如果燃料制备技术和燃料电池技术更便宜可靠,可能会走向燃料电池为主、锂离子辅助的形式;如果新能源发电并网技术走得更快,锂离子驱动电动汽车会更方便一些。

  韩伟强,国家“千人计划”入选者,中国科学院宁波工程研究院新能源技术研究所副所长;2012年9月从美国布鲁克海文国家实验室全职回国工作,长期从事锂电池等新能源技术以及纳米材料和器件的研究工作;迄今在Science和Nature等期刊共发表学术论文100篇,获他人引用超5500余次,其中两项工作分别被中科院院士和工程院院士评为年度十大世界和年度十大中国科技新闻;2007年曾获Battelle 发明家奖。