如何实现电池300Whkg比能量目标?

发布者:admin 发布时间:2019-10-31 10:47 浏览次数:

  在日前发布的《汽车产业中长期发展规划》(以下简称《规划》)中,新能源汽车无疑是其中的重要组成部分,尤其在技术领域,动力电池的比能量是重点突破方向。根据《规划》要求,到2020年,动力电池单体比能量达到300Wh/kg以上,力争实现350Wh/kg,系统比能量力争达到260Wh/kg、成本降至1元/瓦时以下;到2025年,动力电池系统比能量达到350Wh/kg。

  不过,从现在电池技术发展水平来看,达到上述目标是否有难度?又有哪些挑战?记者就此问题采访了相关电池企业和业内专家。

  现在“300Wh/kg”是出现在动力电池企业研发部门的高频词汇,但从目前实际情况来看,距这一目标的实现还有不小的差距。在技术层面,包括正极材料、负极材料甚至电解液仍有很多问题需要解决。

  对于负极材料,力神电池研究院院长周江告诉记者,石墨作为较为成熟的负极材料,其能量密度已经被充分发挥,业界普遍认为硅碳负极是接替石墨的最佳负极材料,但同时硅材料的问题也不少。首先,硅材料存在很严重的体积膨胀问题。在充放电过程中,硅的体积会膨胀100%~300%,不断的收缩、膨胀会造成硅碳负极材料的粉末化,严重影响电池寿命;其次,硅的不断膨胀,在电池内部产生很大的应力,这种应力对极片造成挤压,循环多次后可能出现极片断裂的情况;再次,由于电池内部应力的原因,很有可能造成电池内部孔隙率的降低,减少锂离子移动通道,造成锂金属的析出,影响电池安全性。

  在正极材料方面,备受青睐的高镍三元材料同样也有不少问题需要克服。高镍材料PH值较高,容易吸水,这就对电池厂商在工艺方面提出了更高的要求:需要将高镍材料水份控制在10%以内,关键部分需要控制在1%以内。同时,该正极由于含镍比较高,其氧化活性较强,容易与电解液发生反应,导致电池衰减较快。例如,夏季动力电池长期处在高温、高水份的环境中,电池的衰减就会很快。另外,高镍材料的电池安全性相比磷酸铁锂等电池安全性有所下降,因此,要在电池设计层面进行改善。

  除了材料层面的问题,目前国内动力电池一致性相对也较差。有业内人士告诉记者,由于动力电池的制造工艺较为复杂,工序繁多,动力电池制造厂很难把控每道工序的各个细节,以达到较高的一致性。以正负极浆料制备环节为例,物料配比和固液比不精确、原材料一致性差,导致活性物质、导电剂、粘结剂不能按正确比例充分混合并均匀分散;不同环境以及不同的搅拌工艺、搅拌速度、搅拌温度、搅拌时间等都会影响浆料的分散性。而且,从目前的工艺水平来看,即便严格控制这些生产环节,流体力学的性质也很难保持一致。

  由于技术层面上的种种困难,现在国内动力电池比能量相比《规划》目标而言差距明显。

  记者了解到,目前国内动力电池单体比能量普遍在220Wh/kg左右。例如,河南锂动电源有限公司生产的磷酸铁锂电芯能量密度为160Wh/kg,复合锂电芯能量密度为220Wh/kg,商用车PACK集成系统能量密度为125Wh/kg;中航锂电所生产的电池能量密度方面,方型三元材料电池约为170Wh/kg,软包三元材料电池达200Wh/kg;多氟多(焦作)新能源科技有限公司下半年量产的乘用车动力电池系统能量密度可达130Wh/kg以上。

  有业内专家表示,目前电池能量密度与《规划》目标差距较大,在未来不足3~4年的时间内,将单体比能量再提升近四成,压力非常大。

  举例来说,按照周江的说法,硅碳负极材料能够显著提升电池的能量密度,是未来发展的主流方向。事实上,国外部分企业已经实现了硅碳负极材料的量产,例如,特斯拉将硅碳负极成功应用于即将量产的Model 3上,实现超300Wh/kg的比能量。而国内企业在硅碳负极产业化方面动作较慢,除贝特瑞的硅碳复合负极材料已有国外批量订单外,宁德时代、比亚迪、国轩高科、力神、比克、杉杉股份、星城石墨等企业硅碳负极的产业化应用都还在研发推进中。

  周江告诉记者,电池企业在解决诸多问题方面已经有了方向,但还不具备300Wh/kg电池的量产能力。在他看来,电池的性能优化是一个系统问题,需要正极材料企业、负极材料企业及电解液供应商等的共同努力。

  问题多,挑战大,是不是意味着《规划》目标无法实现?在中国电子科技集团公司第十八研究所主任肖成伟看来,单纯实现“2020年,电池单体比能量达300Wh/kg”的目标并不难,但是要想在确保电池安全性的同时提高比能量,确实存在一定难度。对于《规划》中电池技术的升级目标如何更科学、合理地实现,业内专家和相关企业给出了自己的建议。

  首先,不能牺牲动力电池的安全性。从技术的角度来看,动力电池比能量和其安全性成反比,所以,保证电池安全性是首要原则,不能盲目追求高比能量,避免因为追求高比能量而出现安全事故。

  其次,提高生产线自动化水平。人为干预得越少,人为造成失误的影响就越小,电池产品的一致性也就越高。

  第三,跨产业协作。正负极材料生产商、电解液生产商,以及电芯企业、BMS研发企业、电池包系统PACK企业、装备企业、检测中心和整车企业等需要协同合作,一起攻坚克难。

  第四,对于不能国产的关键原材料,建议国家层面要有战略布局。周江告诉记者,相对于技术层面的难题,成本降低的目标更难达到。“在电池成本中,原材料的成本占到60%左右,通过规模化生产能够降低的仅为制造成本和人工成本,如果原材料价格大幅上涨,很容易抵消掉这部分降低的成本。”


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