目前,國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)仍然在采用磷酸鐵鋰(BYD為主)和三元鋰電池,車(chē)型續(xù)航里程基本上都能夠達(dá)到300公里,但是電池系統(tǒng)平均能量密度水平僅為115Wh/Kg。而2017年3月份,國(guó)家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力電池發(fā)展行動(dòng)方案》,指出到2020年,要求新型鋰離子動(dòng)力申池單體比能量超過(guò)300Wh/Kg;系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/Kg。

數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)動(dòng)力電池能量密度現(xiàn)狀與目標(biāo)值差距達(dá)126%,2020年達(dá)到目標(biāo)值對(duì)磷酸鐵鋰電池來(lái)說(shuō)太難了,但是對(duì)于以特斯拉為代表的三元鋰電池則是完全可能的,其采用的動(dòng)力電池性能好,BMS管理系統(tǒng)效率也高;此外,固態(tài)鋰電池也可以將電池系統(tǒng)能量密度提升至260Wh/Kg水平。

1、三元鋰和磷酸鐵鋰電池——當(dāng)前的中流砥柱

當(dāng)前,全球新能源車(chē)市場(chǎng)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,主流汽車(chē)企業(yè)紛紛布局新能源汽車(chē),鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈因此快速成熟將進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車(chē)的規(guī)模化應(yīng)用。從全球角度看,典型車(chē)企配套車(chē)型主要采用日韓動(dòng)力電池,以三元鋰為主,續(xù)航里程基本都達(dá)到或超過(guò)350公里的水平。

表格1全球主流動(dòng)力電池配套情況

再看國(guó)內(nèi),從2017年新能源汽車(chē)前6批推廣目錄來(lái)看,新車(chē)型搭載電池的能量密度也有不同程度地提升。第一批目錄中能量密度超過(guò)115Wh/Kg的車(chē)型僅占13.11%,到第五批目錄這一比例達(dá)到了73%,可以看出動(dòng)力電池能量密度的提升已是大勢(shì)所趨。主流電動(dòng)車(chē)企業(yè)配套的動(dòng)力電池也逐步向三元鋰轉(zhuǎn)型,續(xù)航里程基本上都能夠達(dá)到300公里的水平。

表格2國(guó)內(nèi)主流動(dòng)力電池配套情況

綜合國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池企業(yè)搭載新能源汽車(chē)情況看,三元鋰電池成為主流技術(shù)路線的趨勢(shì)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn),但整車(chē)?yán)m(xù)航里程仍有提升的空間。這很可能是由于動(dòng)力電池能量密度不高、BMS效率提升空間仍有待開(kāi)拓等多方面原因所致。

2、全固鋰態(tài)動(dòng)力電池——未來(lái)的發(fā)展方向

世界各國(guó)先后制訂的高能量密度鋰電池研發(fā)目標(biāo),均在積極地布局鋰硫電池、鋰空氣電池或鋰金屬電池等前瞻性技術(shù)。

固態(tài)鋰電池在繼承傳統(tǒng)鋰電池優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,安全性、能量密度都有了大幅進(jìn)步。目前,全固態(tài)鋰電池研發(fā)可提供的能量密度基本可達(dá)300~400Wh/kg,有望成為下一代高能量密度動(dòng)力和儲(chǔ)能電池技術(shù)的重要發(fā)展方向,這已是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)。

圖1世界各國(guó)對(duì)動(dòng)力電池能量密度的階段目標(biāo)

圖2世界鋰電池技術(shù)路線走向

全球動(dòng)力電池關(guān)聯(lián)企業(yè)也加速布局全固態(tài)鋰電池領(lǐng)域以搶占先機(jī),目前各技術(shù)路徑的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不同,其中以聚合物固態(tài)電池發(fā)展較快,由于其高溫工作性能較好,已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證并有小部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

固態(tài)鋰電池(聚合物固態(tài)電池)研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

法國(guó)Bollore:全固態(tài)二次電池(LMP),負(fù)極材料采用金屬鋰,電解質(zhì)采用聚合物(PEO等)薄膜,目前已經(jīng)批量應(yīng)用在法國(guó)的EV,共享服務(wù)汽車(chē)“Autolib”和小型電動(dòng)巴士“Bluelus,總體應(yīng)用超過(guò)3000輛。

美國(guó)Seeo:全固體二次電池采用大創(chuàng)公司的干聚合物薄膜,提供的樣品電池組能量密度為130-150Wh/kg,2017年能量密度能達(dá)到300Wh/kg,尚未推廣應(yīng)用。

CATL:目前已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出了容量為325mAh的聚合物電芯,表現(xiàn)出較好的高溫循環(huán)性能,尚未推廣應(yīng)用。

中科院青島能源所:開(kāi)發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰電池“青能I號(hào)”完成深海科考,其能量密度超過(guò)250Wh/kg,500次循環(huán)容量保持80%以上,在多次針刺和擠壓等苛刻測(cè)試條件下保持非常好的安全性能。“青能II號(hào)”也已經(jīng)研發(fā)成功,能量密度高達(dá)300Wh/kg,尚未推廣應(yīng)用。

此外,固態(tài)鋰電池中,硫化物固態(tài)電池(鋰硫電池)由于具有較高的能量密度和低廉的成本,有著巨大的開(kāi)發(fā)潛力,豐田、三星、CATL、豐田等國(guó)內(nèi)外企業(yè)均紛紛加速布局,這其中以豐田技術(shù)最為領(lǐng)先。豐田在2010年就推出硫化物固態(tài)電池,2014年其實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg,截止到2017年初,豐田固態(tài)電池專(zhuān)利數(shù)量達(dá)到30件,遠(yuǎn)高于其它企業(yè)。據(jù)豐田高管透露,豐田或?qū)⒃?020年實(shí)現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。國(guó)內(nèi)企業(yè)CATL在硫化物固態(tài)電池方面相對(duì)領(lǐng)先,正加速開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē)用的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池。

固態(tài)鋰電池(硫化物固態(tài)電池)研發(fā)現(xiàn)狀

豐田:2010年開(kāi)始推出固態(tài)電池,2014年其實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg。

三星日本研究所:利用硫化物類(lèi)固體電解質(zhì)試制出2000mAh、175Wh/kg的壓層型全固態(tài)二次電池。

Sakti3(美國(guó)):2015年獲得英國(guó)家電巨頭戴森1500萬(wàn)美元的投資,其開(kāi)發(fā)的固態(tài)電池以陶瓷等為電解質(zhì),金屬鋰或鋰類(lèi)合金為負(fù)極,能量密度達(dá)到1000Wh/L,目前仍處于研發(fā)階段。

清陶能源:公司核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和北汽開(kāi)展合作進(jìn)行中試,未來(lái)可能作為北汽電動(dòng)車(chē)的重要組件。

CATL:主要研發(fā)方向是硫化物電解質(zhì),采用正極包覆方法,解決了界面反應(yīng)問(wèn)題,熱壓方式降低了界面電阻