动力电池要求来了,300Wh/kg比能量目标如何实现

A+

3月1日,四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知,明确指出了当前动力电池存在的不足和今后的发展方向。通知中将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一,关键指标和时间节点如下:

1. 到2020年,锂离子动力电池单体比能量〉300Wh/kg;系统比能量争取达到260Wh/kg;成本<1元/瓦时;使用环境达-30℃到55℃;具备3C充电能力

2. 到2025年,单体比能量达500Wh/kg

3. 力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用

4. 新型动力电池方面,积极推进锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究和工程化开发,2020年单体比能量>400Wh/kg、2025年达到500Wh/k

动力电池要求来了,300Wh/kg比能量目标如何实现

从指标的文字描述中可以看到:第1项指标是要求在锂离子电池体系下实现的,第3项指标应该是在锂离子电池体系下再往前冲一冲,所以提出了“力争实现”。至于第2、4项指标,锂离子电池体系估计无能为力了,必须要开发新的电池体系。

尽管锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究历史已经很长,但是其技术进步还是比较缓慢。如今各种交叉学科发展已经有了较大进步,这将有助于继续开发这些电池体系,期待能有突破。

经常看到很多媒体报道把“比能量”和“能量密度”混淆了。通常,使用“比能量”来描述单位质量的能量水平(Wh/kg),用“能量密度”来描述单位体积的能量水平(Wh/L)

这里我们来主要看一下在锂离子电池体系下的比能量发展途径。

· 锂离子电池单体比能量

2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提到了纯电动汽车动力电池的比能量目标是2020年350Wh/kg, 2025年是400Wh/kg, 2030年是500Wh/kg。该目标与四部委提出的指标很接近,也在业内引发了热议。我们梳理一下2016年媒体报道的各大电池企业的比能量目标和实现路径:

· 比亚迪:三元电池希望在2018年做到240Wh/kg,2020年大概做到300Wh/kg。正极采用高镍三元材料,负极采用氧化亚硅或纳米硅,

· 宁德时代:2016年可以做到200-250Wh/kg,“十三五”期间希望实现350Wh/kg目标,材料体系为高镍三元/硅碳材料

· 国轩高科:2020年目标是300-350Wh/kg,采用高镍三元正极材料,硅基负极材料,5V高电压电解液

· 比克:18650圆柱第四代产品(3.0Ah)普遍可以达到220-230Wh/kg,2017年第五代产品(3.6Ah)的比能量预计可以达到250Wh/kg。比克是较早锁定三元材料路线的企业。

· 力神:正在开发200-250Wh/kg的产品,圆柱电池已经可以达到250Wh/kg,2020年争取达到300Wh/kg,采用第三代富锂锰基层状材料和硅负极材料

· 三星SDI:2016年水平为250Wh/kg,预计2030年达到350Wh/kg(可能采用了其他电池体系了)

值得注意的是,宁德时代、天津力神、国轩高科三家电池企业在2016年还入围了科技部重点专项,该项目的考核指标为:

· 动力电池新材料新体系(基础前沿类):考核指标:新型锂离子电池样品能量密度≥400Wh/kg,新体系电池样品能量密度≥500Wh/kg

· 高比能量锂离子电池技术(重大共性关键技术类):考核指标:电池单体能量密度≥300Wh/kg,循环寿命≥1500次,成本≤0.8元/Wh,安全性等达到国标要求;年生产能力≥2亿瓦时,产品累计销售≥3000万瓦时或装车数量≥1000套。

这些重点专项的考核指标还对循环寿命、安全性能、甚至销量和产能提出了要求,这对入围的电池企业也是不小的考验。

从所有公开的信息可以看到,中国各大电池企业实现300Wh/kg的技术路线可以归纳为:

· 正极材料:高镍三元,或者富锂锰基

· 负极材料:硅基材料

· 电解液:高压电解液

· 隔膜:目前还是PP、PE为主,外加陶瓷涂层

下表是2015年欧洲-日本技术研讨会上展示的一组数据,描述了在锂离子电池体系下,实现不同比能量水平可采用的材料体系。可以看到,其实在材料体系的选择上,各国的情况都比较类似。

动力电池要求来了,300Wh/kg比能量目标如何实现

下面我们看一下日本电池企业的情况。在日本NEDO(New Energy and Industrial technology Development Organization of Japan)的牵头下,日本电池企业都积极参与了高能量电池的研究和投入。例如,我们看一组2016年日立Hitachi的数据:

· 正极材料:高镍层状三元

· 正极电极:335g/m^2,3.0g/cm^3

· 负极材料:硅合金和石墨的复合材料,容量比1:1

· 负极电极:2.1g/cm^3

· 电池容量:30Ah,软包电池

· 充电上限电压:4.2 或4.4V

· 放电下限电压:2.0V

· 电流:C/20,或C/3

图1是其测试数据。我们可以看到,充电电压为4.2V、电流为C/20(Cell-4.2)时,比能量为290Wh/kg;充电电压为4.4V、电流为C/20(Cell-4.4)时,比能量为335Wh/kg。同时,Hitachi也指出,虽然初始比能量很高,但是在经过100次循环之后,容量衰减极大。估计这种情况也是现在很多电池企业正在头疼的问题:比能量指标实现了,但其他性能还不行。

动力电池要求来了,300Wh/kg比能量目标如何实现

图1 Hitachi 30Ah电池数据

综合来看, 单纯实现300Wh/kg的目标在2020年基本是可行的。问题是:实现了这个目标是否就表示能用在电动汽车上呢?答案肯定是否定的。汽车动力电池是一个系统工程,满足比能量要求只是条件之一,其他性能(充放电倍率、功率、寿命、安全性等)也是至关重要的。在实现高比能量的目标的基础上,综合发展、提高其他各项性能指标,还需要投入更多的时间和精力。

参考

Development for 300Wh/kg-Class High Energy Li-Ion Battery for EV. Research and Development Group, Hitachi, Ltd.

Europe-Japan Symposium. Electrical Technologies for the Aviation of the Future, 26-27 March 2015

作者:129Lab

返回第一电动网首页 >

#动力电池#
17
进入技术栏目阅读更多精彩内容
作者
相关阅读
动力电池态势:上下游两头挤压 企业降成本压力大
动力电池态势:上下游两头挤压 企业降成本压力大
使命、愿景、目标、技术路线,中国动力电池产业发展现状
使命、愿景、目标、技术路线,中国动力电池产业发展现状
动力电池行业扩产 锂电设备企业订单饱和
动力电池行业扩产 锂电设备企业订单饱和
脚踏实地才能赢得未来,动力电池行业浮夸风当止矣!
脚踏实地才能赢得未来,动力电池行业浮夸风当止矣!
热失控和危害气体,动力电池的安全测试图文解读
热失控和危害气体,动力电池的安全测试图文解读
抽丝剥茧,动力电池SOC估计要点浅析
抽丝剥茧,动力电池SOC估计要点浅析
发表评论
说点什么吧...
3