中国电子科技肖成伟:重视高比能动力电池产业的发展

2021-10-12 15:22:03 作者:宇智波民

  【太平洋汽车网 行业频道】汽车产业迎来了动力系统电动化的时代,而动力电池作为汽车电动化最为核心的零部件,成为目前研究及产业化的焦点和热点,有力地支撑了新能源汽车产业的快速发展。

  10月12日,在第三届全球新能源与智能汽车供应链创新大会上,中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟对动力电池行业的发展进行了分享。

中国电子科技肖成伟:重视高比能动力电池产业的发展
中国电子科技集团公司第十八研究所研究员 肖成伟

 
新能源汽车正处于加速发展阶段
2025年中国新能源汽车销量或超全球50%

  肖成伟表示,现在新能源汽车处于加速发展阶段,各个国家都在布局,包括一些整车企业也加速了电动化转型的态势。到2030年全球新能源汽车保有量达到2.45亿辆,基于这样一个发展态势,世界主要的汽车强国像美国、欧盟、德国、日本发布了国家级的新能源汽车规划,一些国家和地区也发布了常规燃油车的禁售时间表和禁售范围,整车企业发布了传统燃油车停售的时间和停售计划。

  中国对新能源车的发展支持力度是全球最大的,取得了非常好的发展成果。新能源汽车发展规划提出到2025年新能源汽车的销量要占到整个汽车销量的20%以上,并且对新能源汽车的电耗提出要求,100公里12度电的要求。2020年销量达到136.7万辆,累计销量达到550万辆,保有量到2020年年底492万辆,今年截止到目前新能源汽车的销量已经超过去年销量的总和,大家普遍预计应该超过200万辆没有任何问题,有的高的提到280万辆。

  中国现在累计新能源汽车销量在全球来看占50%的市场份额,节能新能源汽车路线图2.0版,做了一个非常宏大的规划,到2025年纯电动和插电销量达到500万辆,这里面90%以纯电动为主,对混合动力也做了比较好的规划,到2025年混合动力占比应该超过50%,对混合动力车也有比较好的发展前景。肖成伟表示,从全球的角度来看,到2025年中国的新能源汽车销量超过全球50%,对新能源汽车的发展前景整个预期和判断没有任何问题。

  肖成伟认为,大的前提下新能源车的发展态势,A级车往下是以纯电动为主,在这里面最主要以成本作为主要的驱动力,以五菱宏光MINI作为典型的代表产品。再有一个,B级高性能、高端车,包括纯电动,包括插电,像特斯拉蔚来、小鹏等等为代表性的企业,常规的燃油车企业现在也在推出高性能的纯电动车。

  而前面提到,低成本的车目前来看以磷酸铁锂为主,高性能车以三为主,现在一部分高端车型采用磷酸铁锂技术路线,对于混合动力三元和磷酸铁锂电池在里面都会做应用。前面是能量电池或者能量和密度兼顾型的电池,混合动力是功率型的电池。

  肖成伟指出,对于电池的要求,如果都达到以上这样的要求,那我们做的纯电动车和燃油车就可以形成性能和经济性的竞争,这也是我们做电化学行业努力的方向,像能量密度、功率密度、安全性、循环寿命、环境适应性、成本等等都是我们做设计开发考量的因素。锂离子电池是研发热点和产业化的热点,可以用在混合动力、插电式混合动力、纯电动、燃料电池汽车里。像欧盟、日本、美国和德国都发布了国家层面的动力电池发展规划,包括材料、电池、系统集成、新体系电池、测试评价、梯次利用、资源回收等等都包括在内,从设置的内容来说把动力电池产业链的相关内容都进行了设计,也进行了研发项目的部署。

 
动力电池领域分三个层次

  在中国四个国家级计划,肖成伟表示涉及到动力电池领域,分成三个层次。一个是高比能的锂离子电池,做到300WH/kg,下一代锂离子电池希望做到400WH/kg,新体系电池做到500WH/kg,涉及到系统集成,还有固态电池的研发和产业化工作。节能新能源汽车路线图2.0版里面的动力电池板块,涉及到动力电池的整个产业链,除了标准体系不涉及之外,其它所有都涉及,从材料一直到最后使用完的资源回收。涵盖的乘用车商用车两大领域,包括混合动力方向和纯电动、插电式混合动力三个方向,把整个汽车的全部应用方向进行了涵盖。

  产业发展的格局,已经实现规模化的生产材料体系,而磷酸铁锂现在已经实现了大规模的生产和应用,原来在商用车里面,现在在乘用车里面也呈现出比较好的发展态势。再有一个,中镍高电压之后做到220—240WH/kg,在乘用车领域应用非常广泛。高镍材料在圆柱形电池里面像18650、25700、4680做的企业也很多,也做了很好的应用,这是正极。负极以人造石墨为主,隔膜的现在从提高能量密度的角度来看的话,聚乙烯隔膜发展也是非常热,电解质盐基本以氯盐为主,融合碳酸酯类的溶剂。

  磷酸铁锂电池的情况,它的能量密度基本做到170WH/kg以上,用到大巴车的磷酸铁锂电池情况,应用到乘用车里面的磷酸铁锂情况,能量密度基本在170WH/kg。三元材料主要还是应用在乘用车领域,它的能量密度基本从200—260WH/kg,像圆柱、方形、软包的等等都做了很好的技术开发和产品规模化应用。快充型的锂离子电池,主要用在大巴车领域,它的倍率做到4C,大概10分钟左右的时间能充到百分之七八十的容量,它的能量密度做到120WH/kg,现在用的三元材料为主。

  高功率用在混合动力的领域里面,肖成伟表示像他们开发的三元材料高功率的电池,包括用磷酸铁锂开发的高功率电池,左边用在深度混合动力的领域高电压系统,右边的磷酸铁锂是48V微混合的系统,这两类电池在混合动力市场实现了规模化的应用。

  肖成伟认为,动力电池应用的情况,在这里面跟整个国家的战略导向还是密切相关,以纯电动作为主要的应用方向,包括纯电动乘用车和纯电动客车。从发展的趋势来说,以纯电动乘用车作为主要的应用领域。

  从配套情况来看,肖成伟表示磷酸铁锂现在发展的态势实际超出大家预期,今年整个磷酸铁锂市场份额有可能会超过三元,还有低成本的好处,能量密度相对来说可以满足大巴车的市场要求,尤其在乘用车市场里面一些高端车型也在采用磷酸铁锂技术路线,它的能量密度磷酸铁锂做到140WH/kg,三元做到160WH/kg的水平。明年有一些企业推出的磷酸铁锂电池系统可以做到160WH/kg的水平,三元电池还是希望能够进一步提升,比如做到180WH/kg的电池产品,也会在一些车型里面做比较好的应用。

  2020年用在纯电动乘用车里面的电池系统能量分布情况,肖成伟认为,磷酸铁锂在里面占的比例还是比较高的,大概在140—160WH/kg很大一部分是磷酸铁锂电池,160WH/kg以上以三元电池为主。

  从产业化的角度来看,现在中国形成了非常完善的产业链体系,主要集中在珠三角、长三角、京津冀和中原地区,整个配套量来说还是逐年提升,2020年和2019年增的比例不是很高,但是逐年提升,今年应该会有一个比较大的提升,对整个配套量来说。整个聚集度其实也在提升,电池企业的数量逐年降低。2021年国内上半年装机量市场占比,宁德(时代)在里面占比处于第一位,接近50%的市场份额。从全球来看,2020年中国占比76%,按照这样一个预测,到2025年73%,虽然有一点点降低,但是从整个产能市场占比来说,中国还是处于举足轻重的地位。肖成伟认为对于在座的各位,无论做研究的,做产业化还是做投资的,这是一个非常好的赛道。目前国内年产能位于全球第一,大概70多家企业,从另外一个角度我们优质的产能和产品还需要亟待提升。

 
电池企业和整车企业在积极布局电池的产业链

  中国的动力电池企业积极参与全球竞争,很多电池企业做海外的设厂,无论是从成本的降低,还是前面提的碳足迹的要求或者碳排放的角度来说,国内的很多电池企业在做海外设厂的布局。肖成伟表示在全球的整个市场占比来说,我国还是处于非常好的发展态势,前九名里面我们占到一半以上的比例。电池企业和整车企业在积极布局电池的产业链,从矿产开始一直到资源回收在做积极的布局。第一,从成本降低的角度提供很大的支持;第二,从掌控资源的角度,供应产业链的角度,从它的发言权和掌控力角度也是非常有价值的事情。

  已经实现了产业化,电池能不能再进一步发展?肖成伟表示肯定这是毫无疑问的,下一步电池发展的趋势将分以下几个部分:

   1、磷酸铁锂系的电池还会做进一步的技术提升。现在我们做到170、180WH/kg,有的企业做到200WH/kg,肖成伟表示下一步将在电动车专家组里面提出无钴电池希望做到230WH/kg以上的水平,磷酸铁锂这一类电池还会有进一步发展的间。

   2、高镍低钴电池希望做到300WH/kg。

   3、富锂锰基类电池,在降钴降镍的同时要提锰,这一类也有非常好的发展趋势,现在也是研究的热点。无钴里面有渐进式的镍锰酸锂做了很好的研究进展,肖成伟表示黄老师现在牵头在做,很多国外企业也在开发这类电池。

   4、高镍三元材料做的固液混合这类电池,这类电池作为液体转换到固态电池里面作为一个过渡的技术和产品也会有一个非常好的发展前景。

  说到刀片电池,肖成伟表示从磷酸铁锂角度来说,通过单体电池和系统结构的创新,来提高电池盒系统的能量密度,无论重量能量密度还是体积能量密度。已经达到或者超过300WH/kg的水平,很多电池企业开发这类产品,用到高镍硅碳的负极材料,有些产品在车型里面做了比较好的应用。400WH/kg就用富锂锰基材料,北大夏定波老师开发的富锂锰基材料,发表的论文里面最高的容量做到400mAh/kg,比较稳定可以做到250—260mAh/kg以上。跟硅碳做匹配,可以做到400mAH/kg的水平。无钴电池降低对钴的依赖,降低电池将来的整个规模化生产之后的材料成本,像前面提到的磷酸铁锂系属于这一类渐进式锰酸锂,渐进式的镍锰酸锂,还有镍锰两元的材料,这类可以降低对钴的依赖度,并且大规模生产之后对整个电池的成本降低可以做很大的贡献。

  固态电池这块进展也很快,现在开发的固液混合的锂离子电池,能量密度300WH/kg,500次循环之后,能量密度保持98%的水平,体现出比较好的性能指标。

  开发了全气候动力电池系统,这是盟固利开发的技术,通过在电池里面加上金属镍片作为加热的装置,能够实现电池在低温情况下的快速加热,加热速度可以做到7—10度/分钟,在零下40度它的行驶里程不低于常温的82%,在冬奥会上会有比较好的应用和展示。新体系电池包括锂硫、全固态电池等等,从基础研究的角度国家进行了相应的支持,现在所列的指标都是实验室达到的水平,这里面需要从高循环性的锂负极,包括钴界面反应等方面做深入的工作。

  从测试评价来说,建立了从材料到系统非常完善的测评体系,在这里面关注度最高的就是热失控和热扩散测试评价技术和方案,相关的内容已经罗列到《电动汽车安全全球技术法规》里面,相应的研究转换到现在制定的国家强制性标准,《电动汽车锂离子电池安全要求标准》里面,从大数据分析的角度做了安全预警技术,采集了相应的电池运行参数,像电流、电压、温度、绝缘等参数,通过建模对电池的相关隐患做预警。

   而从梯次利用和资源回收的角度,目前来看,肖成伟表示梯次利用目前我们还是想从电池设计源头的角度来考虑到梯次利用,目前梯次利用的电池从开始设计的时候没有考虑到梯次利用,现在梯次利用的价值相对来说是比较低一些,下一步从电池设计的源头考虑到梯次利用。从这个角度来说,电芯、模组和系统的整个梯次利用价值经济性会有一个大的提升。

  再从资源再生的角度来说,肖成伟认为三元材料是没有任何问题的,可以做资源再生,有非常好的经济性。大家关注度比较高的磷酸铁锂电池,现在磷酸铁锂可以回收磷酸铁和碳酸锂,以这两种材料的形式。现在磷酸铁的价格已经涨到20万/吨,整个磷酸铁锂资源再生的角度它的经济性已经体现得很充分。

   最后,从德勤分析里面引用电池产业全球发展格局,肖成伟表示从锂资源的开采到整个充电技术应用或者充电的生态圈结合的电池,做了很好的布局。实际上国内整个产业把相应的内容都进行了完整的覆盖,并且取得很好的研究进展,包括一些产业的布局。

  对于未来动力电池产业的展望,肖成伟指出,高比能、高安全、长寿命、低成本、高环境适应性是动力电池产业发展的诸多考量因素。从产业发展方向涵盖了这样一些内容,新体系电池、全固态电池、钴材料电池、全球高压安全、固液混合锂电池,与安全寿命相关的大数据分析和测试评价技术等,这些都是现在和未来一段时间大家关注的焦点和整个投入的重点。

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