新能源汽車的保有量不大,但近年來發展勢頭良好,上升率遠超傳統汽車。作為新能源汽車最核心的部件,動力鋰電池的發展一直備受關注。目前,鋰離子電池已深受行業認可,固態電池和燃料動力電池也以更加優異的性能被寄予厚望,在動力鋰電池領域,可謂路線多元,同步推進。那么,從全球來看,鋰離子電池、固態電池、燃料動力電池發展情況如何?未來又將誰主沉浮?

七月十九日,在我國汽車技術研究中心有限公司(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電池產業發展報告(2018)公布暨產業發展研討會上,多位專家詳細介紹了三種動力鋰電池的全球狀況以及在我國的發展水平。

鋰離子電池成本大幅下降

據了解,近年來歐盟加快了推進節能減排的計劃,2017年G20漢堡峰會上,除美國之外的19個成員國關于進一步促進節能減排達成共識,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展期。

有研究數據表明,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能減排計劃的重要原因。”中汽中心動力鋰電池產業發展研究室總監方凱正說。

在各國政策的引導下,多家車企加快了發展電動汽車的步伐。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展戰略。

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成員設定了2030年實現電動汽車市場份額達到30%的愿景,屆時電動汽車保有量將有可能達到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,動力鋰電池的年需求量也將達到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到70～80kWh。可見,未來汽車產業對動力鋰電池的需求量將急劇提升。

目前,在動力鋰電池領域,鋰離子電池已成主流,且隨著技術的發展,成本已大幅下降,尤其是電池高鎳化的發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),動力鋰電池的成本越來越接近商業化。”方凱正說。

有業內人士向記者透露,現在有些我國公司已將電池成本控制在了1000元/kWh以下,而動力鋰電池的成本只要達到600元/kWh,就可具備與傳統汽車同等的競爭力。

固態電池成新競爭點

在鋰離子電池大行其道的當下,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不足,另一電池形態成為行業新一輪競爭熱點,即固態電池。目前,固態電池以安全性高、容量大被行業看好,成為全球動力鋰電池爭奪的制高點之一。最近一段時間,各國在固態電池上動作頻頻,紛紛加大了研發力度。

六月十五日,日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)宣布,其將與豐田汽車、松下啟動新一代高效電池“全固態電池”的開發,力爭2022年前確立技術。目前日本幾乎舉全產業之力投入到固態電池研發之中,其中包括23家汽車、電池、材料公司,15家學術機構,包括京都大學、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電池研發項目,早在2017年五月,日本經濟省就宣布出資16億日元,聯合豐田、松下、GS湯淺等國內頂級產業鏈力量,共同研發固態電池,希望2030年實現800公里續駛里程目標。

韓國也不甘落后,目前,三星SDI、LG化學等都投入到固態電池的研發之中。據外媒報道,三星Note7手機電池起火嚴重影響了品牌形象,這促使三星加大了固態電池的研發力度。據了解,三星的固態電池可能最初應用于手機上,下一步將開發車用動力固態電池。此外,LG化學也在研究固態電池,據稱技術水平與三星不相上下。

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

關于固態電池的研發,我國也絲毫沒有松懈。2017年四部委印發的《促進汽車動力鋰電池產業發展行動方法》提出,積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態電池等新體系電池的研究和工程化開發,2020年單體電池比能量達到400Wh/kg以上、2025年達到500Wh/kg。

目前,國內固態電池技術的研究已經取得不小進步。據了解,中科院已有五個團隊在不同程度上取得突破。中科院化學所郭玉國團隊的聚醚-丙烯酸酯新型雙功能聚合物電解質,可用于室溫固態金屬鋰離子電池;中科院寧波材料所許曉雄團隊研發的無機陶瓷固態電池正與贛峰鋰業合作嘗試產業化;中科院青島生物能源所崔光磊團隊研發的固態電池已用于蛟龍號深潛器,完成了馬里亞納海溝的測試;中科院上海硅酸鹽研究所郭向欣團隊研發出了2Ah級固態鋰離子電池;中科院物理所李泓團隊推出了10Ah軟包電芯固態電池。

北京衛藍新能源科技有限公司總經理助理向晉說:“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動力鋰電池。就研發水平而言,日韓處于領先地位,我國僅有少數公司擁有核心技術,競爭日趨激烈。”

就具體技術而言,目前,法國Batscap-Bollore公司固態電池能量密度達到了220Wh/Kg,1500次循環后容量仍超過96%,電池容量為10～30Ah,已成功應用于Autolib四輪小型汽車,保有量達到4000輛;美國Sakti3公司固態電池產品達到了1000Wh/L,容量為10～50mAh;在日本,豐田的固態電池達到230Wh/Kg,容量為2.4～15Ah,進入小型平板車試用階段,預計2022年上市;在我國,中科院寧波材料所的固態電池處于中試階段。中科院青島所的固態電池達到297Wh/Kg,容量為10Ah,還處于研發階段。

向晉說:“無論是聚合物還是硫化物固態電池,都存在技術難題,但固態電池的安全性明顯優于鋰離子電池,通過使用新技術、新方法解決集流體、側界面、隔膜/電解液等七大問題,可以確保固態電池的安全。”

全球來看,目前固態電池仍處于研發階段,離商業化還有一段距離,在向晉看來,固態電池實現商業化要滿足多個技術條件:整個系統僅含5～10個大電芯、電芯電壓達到48～60V、電芯容量達到100～200Ah、系統重量比能量超過300Wh/Kg、系統體積比能量超過500Wh/L、整車續駛里程超過600公里、系統成本達到0.5～1.0元/Wh等。

燃料動力電池仍待技術突圍

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

在國家政策的支持下,多次承擔國家燃料動力電池重大項目的大連新源動力股份有限公司已經取得不少成果,該公司副總工程師邢丹敏介紹,新源公司已研發成功第二代系統FCS200,功率為30～60kW,工作溫度為-10～70℃,工作壽命為5000小時;正在研發的第三代系統FCS300,功率達到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、商用車電堆領域。最新研制的MOD400電堆,采用金屬雙極工藝,有效解決了高低電流密度區的水平衡問題,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方法,從最初的1000小時,到現在突破5000小時,下一步還將爭取達到1萬小時。邢丹敏說:“燃料動力電池汽車的示范運行是‘十一五’時期的重要目標,‘十三五’時期的指標更加細致。60kW車用燃料電堆功率密度將達到2.0kW/L,壽命達到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到3.1kW/L,壽命長達5000小時,低溫啟動在-30℃左右。”

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