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發布時間:2019-10-09

肖成偉博士:車用動力電池發展現狀及趨勢

原創: 編輯部 鋰電安全聯盟 1周前

2019年9月25日,以“科技長三角 共享新未來”為主題的第二屆長三角科技成果交易博覽會在上海汽車會展中心開幕。活動旨在打造長三角成為創新技術策源地、創新要素集散地、創新成果轉化地,擴大科技“朋友圈”,演繹創新“實力秀”。會上舉辦了2019電動汽車安全管理技術論壇。論壇上,國家863計劃節能與新能源汽車重大專項總體專家組電池責任專家,博士、研究員肖成偉發表了主題演講,以下為演講實錄:


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前面各位專家介紹了很多電池安全、整車安全,包括整車起火事故的介紹。其實,作為政府主管部門,無論是市場總局還是工信部,現在都制定了很多規章制度、措施,包括一些事故上報的制度來規范新能源汽車安全事故出現之后的處理流程。

我的感覺是,雖然大家現在看新能源汽車很火,出現一些安全問題,但是從發展的角度來看,這是必然會出現的一個情況,就是發展過程當中出現的一些問題。從長遠來看,或者說從國家支持趨勢來看,新能源汽車還是沒有問題的,國家還會給予大力支持,現在出現的事故都是發展過程當中的一些問題,我個人還是持比較樂觀的態度,這些問題通過在座的電池企業、整車企業,包括高校院所和這些測試機構的共同能力,我想安全問題會有很大的提升。可以保證今后電動汽車在應用過程當中的安全使用。

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我的報告還是比較泛的,比較宏觀的內容比較多一些。原來講過很多次,增加了一些內容,做了一些調整,把自己參與的情況和在座各位做一個簡單介紹。

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首先是國內外層面的規劃和發展現狀和趨勢,以及電池標準和產業化情況,大家可能會關心電池強標的問題,以及大家關注比較多的熱失控和熱擴散的問題,整車出現安全問題最終結果還是電池包出現了熱失控和熱擴散現象,電池包在整車使用過程當中問題沒有解決好的情況下,有可能對整車安全性會產生比較大的影響。主要是歸結到電池包熱失控和熱安全角度,但是原因很多,有可能是電池制造或者當中出現的問題,電池應用剛才當中出現的問題,我們的考核驗證不充分等等這些原因造成的。

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前面不管怎么樣,電動汽車還是一個發展趨勢,這是國際能源署的預測,有兩個情景,一個是激勵政策情況下的新能源汽車的應用數量,以及到2030年的時候,電動汽車在里面占的市場比例達到了30%,都應該在1.2億輛到2.2億輛的范圍。而中國的保有量已經超過三百萬輛,今年大家預測會增加150萬輛,我個人感覺有可能會實現,還是需要在座的整車企業和電池企業做比較大的努力。不管怎么說,電池還是大家關注的焦點,也是大家研究和產業化的焦點,電池這個方面也有比較大的要求,大家關注度比較高的是電池能量密度,再就是電池安全性,希望在使用過程當中有一個比較好的表現。以及循環壽命希望我們做到十年八年。當然我們也希望有比較好的充電倍率,做到3C甚至5C的充電倍率,在一個比較好的溫度范圍內使用,零下三十度到零上五十度,經濟性的角度,希望成本做的和常規燃油車競爭。

前面提到了電池,在各類電動汽車里面都有一些應用,包括混合動力,插電式混合動力,純電動。包括鉛酸電池、鋰離子電池等等都會有一些相應的應用領域。這里面大家關注的焦點和大家現在做產業化的焦點還是鋰離子這樣的技術方向。

在這個基礎上,日、美、德等等這些發達國家,對于動力電池都做了比較好的國家層面的規劃,涵蓋新材料到電池系統集成,以及利用和測試標準等等。這些都會以項目的形式進行支持,里面也包括新體系支持,從長遠的角度也會給予國家層面的支持。

中國從四個國家層面的規劃,對動力電池的研究和產業化進行了一些設置,最主要是三個層面,2030年實現300W每公斤電池的產業和工作,并且在車上有比較大的應用。以及我們做新型的鋰離子電池要做到400W每公斤,著眼于下一階段的應用。到2035年我們做一些基礎研究儲備,做一些鋰硫等新體系電池研究,我們設定的目標是在500或者700WH/KG的水平。同時在新能源汽車重點研發方向里面設置了六個方面的課題,從300WH/KG鋰電池產業化做一些研究工作。同時在節能與新能源汽車技術發展路線圖里面,我們專門有一塊內容是車用動力電池技術發展路線圖。

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這里面有兩類電池,一類是純電動車用的能源型電池,還有一類是插電式混合動力用的能量動力兼顧型電池,這兩類電池設置指標改變針對乘用車領域,目前來看插電式混合動力用的能量動力兼顧型電池,基本上可以達到要求,能量電池目前還有相當大的技術挑戰,設置的350WH/KG水平。

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同時正在修訂技術發展路線圖,我和中科院物理所來牽頭做這個工作,這里面動力電池作為最為關鍵的內容之一,來進行修訂,應用領域現在進行了拓展,原來是針對乘用車領域,現在是針對乘用車和商用車兩個領域。

這是電池路線圖的提綱,現在我們正在做相關的修訂工作。

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里面設置了裝機小組,從電池全產業鏈來設計的,包括材料、電池、系統集成、測試評價、生產裝備、資源回收、梯級利用,把整個產業鏈的內容都涵蓋到里面,包括剛才大家提到的相應的安全事故發生之后大家進行調研的一些各個企業的研究工作相應內容都可以在這里面做比較充分的體現。

我們也把海外的一些電池企業希望他們能夠對中國動力電池路線圖的修訂提供一些支持,涵蓋了乘用車和商用車兩大領域,插電式、混合動力、純電動都包括在內。

第二方面講講發展現狀和趨勢,從發展趨勢來說,高比能電池是永恒的追求,目前來說,鋰硫、鋰空氣從基礎研究角度做了比較大的支持,從產業化角度目前來說現在以300WH/KG作為重點,采用的材料體系就是高鎳的正極材料,622、811、NC、硅碳、單質硅或者氧化亞硅做匹配,我們做300WH/公斤的電池產業化工作。

對于現在已經在市場上實現規模化應用的,其實現在也是從市場上反饋出現問題,出現安全問題的基本上都涵蓋了,第一類是磷酸鐵鋰,對于三元電池來說,現在市場上應用最多的是523正極材料和石墨匹配,能量密度大概230到240WH/KG。高鎳主要是用于圓柱形電池里面,比如說NCA和硅碳的用在21700里面可以做到270—280WH/KG,也在純電動乘用車領域有比較大的應用,里面有快充的,有三元材料的正極和石墨匹配,大概做到5C充電。這是電池在乘用車領域的應用情況,這是對插電式和混合動力的電池種類比例,比如說在插電式混合動力乘用車,就是插電混動乘用車領域,在這里面三元材料是百分之百,基本上都是以三元材料為主。純電動乘用車里面,三元材料大概占了90%的市場份額。這其實和國家補貼政策密切相關。從能量密度角度來說基本上做到120WH/KG,現在很多企業都以140或者160WH/KG作為電池系統配置的要求。

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對于專用車領域,基本上是三元和磷酸鐵鋰兩分天下,能量密度基本上還是以補貼作為主要驅動力,大概115WH/KG。

對于商用車領域插電式的,在這里面應該是以三元材料的為主,但是在這里面其實大家看還是錳酸鋰比較多,但是實際上還是以三元材料為主,有可能和錳酸鋰做混合,和石墨做這樣一個匹配,用在插電式混合動力里面。

對于純電動客車基本上還是以磷酸鐵鋰為主,能量密度135WH/KG以上,和補貼政策密切相關。

高比能三元材料,通過國家政策的支持,通過電池企業的努力,發展的是非常快的。最主要是應用在乘用車領域,能量密度大概在210到250WH/KG的水平,這已經是規模化應用的,無論是圓柱、方型、軟包,在乘用車領域都有比較大規模的應用,這是剛才提到的快充鋰離子電池,做到120WH/KG,能夠做到5C充電,會在張家口冬奧會做比較好的展示。會和快速加熱的技術,大概兩三分鐘之內大概可以把電池加到0度的水平。

磷酸鐵鋰現在做到170-180WH/KG,主要用于大巴車領域。

到2020年的時候我們會在磷酸鐵鋰方面再做一些技術提升,大概做到200WH/KG的水平。主要還是應用在大巴車領域。前面提到了我們做300WH/KG用高鎳材料和硅碳做匹配,現在進展也會比較大,后面會做展示。

再就是負極錳基和硅碳,用新興鋰離子,做到400WH/KG。還有一個大家關注的固態電池比較多,鋰離子電池的固態化到2020年會有產品在市場上應用。這是重點研發專項里面,支持的電池項目的一些大致進展情況。

第一個就是300WH/KG的軟包電池,進展比較快,正在做集中測試評價,有的電池企業的產品,研發產品還是體現出比較好的技術水準。

再就是快充的電池,我們做到200WH/KG,大概也會做到五倍率的充電倍率。

還有一個就是400WH/KG,富鋰和硅碳。

這個就是300WH/KG的電池進展,寧德時代、力神,從測試結果來看還是體現出非常好的水平,同時項目之外,很多企業也在看到300WH/KG高比能電池的研究工作。我們把300WH/KG的技術推演一下,用高鎳的正極和石墨做匹配,我們做方型電池,像比亞迪這樣的產品可以做到270WH/KG,這樣的產品明年可能會在一些車型上做推廣和應用。

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還有一個我們做軟包的,利用高鎳和石墨做匹配,會做到290WH/KG的水平。像孚能、力神這樣一些企業都會有產品,明年可能會在一些車型上應用。

還有一個快充類的電池,做到200WH/KG的水平,大概可以做到4C充電,前期我們已經做到了144WH,可以做到6C的產生已經實現了。還有一個做超級電容器,現在大概在60WH/KG的水平。也體現出比較好的技術進展。

400WH/KG就是富鋰錳基和硅碳領域。

固態電池方面,鋰離子電池固態化,一個能量型一個功率型大概做到230到250WH/KG的產品技術水平。循環性和安全性還是體現的比較好。

前面提了鋰硫、鋰空氣、固態電池等等進行一些項目支持,能不能實現產業化還要看技術進展,我個人覺得到2030年左右的水平。

最后講講電池的標準和產業化的情況,從目前的標準體系來看,對動力電池來說,應該中國在全球來看,相對來說是比較完善的,從電池的電性能、安全性、循環壽命、體積利用、互換性方面都制定了一些國家標準,這些標準被裝備中心引用就變成了一個強制性標準,尤其是安全性和電性能這塊大家關注度會比較高一些。

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現在還有一個就是電動汽車用鋰離子動力電池安全要求也是一個強標,對于國外來說就是一個法律,已經制定完成了,已經報到WTO相應的一些反饋工作已經完成了。預計今年的年底有可能發布。這里面會把前期的單體模組和系統的一些安全測試項目的一些內容,都納入里面,同時會結合國際的UL、GTR、RSO、REC,這些對鋰離子電池安全性要求的測試項目都納入里面。其實就是在座的各位整車企業,包括電池企業的安全測試項目和內容,基本上在這些標準里面都體現出來了,當然在這里面著重增加的就是熱失控和熱擴散的測試項目,整車出現安全性問題,最終體現的就是單體電池發生熱失控,對于整個電池系統發生了熱擴散,這種情況下有可能導致發生爆炸和燃燒的現象。在這里面制定了熱失控、熱擴散的測試流程,最終要求是可以允許著火和爆炸,但是給駕駛員一定的逃生時間,現在設置的是五分鐘的時間。上次在上汽聊他們設定是三十分鐘,他們最終目標有可能要達到一小時,這是下一步無論是整車企業還是電車企業,從測試評價的時候著重要考慮的這塊內容,因為最終體現的還是這個問題,無論什么樣的問題,造成的都是電池包發生熱擴散之后導致的安全問題發生,我們要從全生命周期驗證這個問題,新型電池使用到一定時間的電池,包括我們使用壽命快終結的時候電池包安全性我們要做綜合性考核和驗證。這就是一些擴和驗證工作,從材料到單體到系統我們要結合的工況,包括我們的管理系統等等這些,我們要做綜合性的考核驗證。其實最終體現的就是單體電池的熱失控,整包熱擴散之后的電池系統的安全性,包括對整車的安全性影響。產業化進展很快,2018年配套量已經上升到570億WH的水平,但是電池企業的數量火災不斷聚集,從最高的時候200多家,現在大概縮減到80—90家的水平。我們還是希望通過這樣一些智能工廠應用來提升電池企業的優質產品的產能。

從價格來說壽命還是和補貼政策設置的要求是掛鉤的,對于乘用車是八年12萬公里,價格方面來說,今年大概均價應該在系統的角度是一塊錢1WH,低的到了8毛錢。高的還維持在1.2元1WH的水平。考慮到資源回收情況,只要整車數量達到一定水準情況下,我們再考慮中國現在的資源現狀,從這個角度來看,像鋰、鎳這樣的資源不會阻礙中國新能源汽車的發展。

最后是動力電池發展需要重視的技術問題,第一個是安全,雖然我們的電池能量密度越來越高,但是我們要把安全放在第一位。這個過程里面把電池包熱管理熱擴散技術做深入的研究和應用。同時通過智能制造來提升產品品質和產品的一致性,這樣的話我們可以變相提升電池循環受用,降低電池使用成本。

同時在新體系電池方面技術研究方面要做比較好的技術積累。標準化方面,希望通過這樣的方式來降低電池的制造成本,包括來提升體積利用的水平。這樣的話這幾方面結合在一起,對于動力電池無論是現在還是將來的發展,都會有一個比較大的促進,從而促進中國新能源汽車的健康發展。

我就講這么多,謝謝大家!



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