鉅大LARGE | 點擊量：1006次 | 2019年04月13日
動力電池性能提升還有多少空間？
新能源汽車之所以沒有完全普及，主要受制于動力電池產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本。下面從物理和化學(xué)途徑聊一下動力電池性能提升空間，并對動力電池未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。
物理途徑
01圓柱電池
目前最成熟的技術(shù)就是18650電池，即通常所說的5號電池。特斯拉汽車的動力電池就是由7623顆5號電池串并聯(lián)組成。圓柱形電池由自動化設(shè)備卷繞而成，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)化，普及率高。但是圓柱形電池也有其天生缺陷，因為體積小，所以單體容量較小，且在高強度放電時，發(fā)熱量大；使用壽命短，電池循環(huán)次數(shù)在1000次左右。
針對18650電池的缺點，特斯拉采取增大電芯尺寸的方式加以改進(jìn)，例如特斯拉Model3中用20700替代18650電芯，20700電池增加的尺寸大概為10%，而體積和能量儲存提升了1.33倍。20700電芯量產(chǎn)后，其動力電池包能量密度增加3-4%，成本下降5-10%?？梢?，圓柱電池的發(fā)展已經(jīng)做到極致，再往上提升的空間不大。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
02方形電池
方形鋰電池，顧名思義，其形狀為方形，方便疊加，也方便置于汽車之中。其外殼通常是鋁制殼或鋼制作殼。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高，國內(nèi)普及率高。方形電池多采用卷繞式或疊片式工藝，制造效率高，安全性好。隨著新能源汽車工業(yè)的發(fā)展，未來新能源汽車也將如現(xiàn)在的常規(guī)能源汽車一樣大規(guī)模生產(chǎn)，這就涉及到標(biāo)準(zhǔn)化問題。現(xiàn)在的傳統(tǒng)燃油汽車，大多數(shù)零部件大多采用標(biāo)準(zhǔn)件，全球通用，這樣一來不僅降低了制造成本，也降低了研發(fā)成本。未來的大趨勢是全球采取統(tǒng)一尺寸，統(tǒng)一規(guī)格的方形電池。這將極大的推動動力電池的發(fā)展。降低動力電池的生產(chǎn)成本及研發(fā)成本，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究成果也證明：圓柱形電池進(jìn)一步降低成本的空間很小，而方形電池則有很大的潛力。
03軟包電池將如現(xiàn)在的常規(guī)能
軟包電池，又稱聚合物鋰電池，其內(nèi)部使用高分子膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，區(qū)別于電解液。其電池形狀不固定，可以根據(jù)實際需求制作成各種形狀。目前在蘋果手機電池中廣泛使用。軟包電池目前價格昂貴，主要因為高分子電解質(zhì)成本較高，其外包裝材料不同于普通電池，為鋁塑復(fù)合膜。其正負(fù)極材料與傳統(tǒng)鋰電池一樣。
由于采用鋁塑膜包裝，其安全性能得到較好提升，發(fā)生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，而不會發(fā)生爆炸；軟包電池的優(yōu)點還包括：質(zhì)量輕、自耗電小、循環(huán)壽命長等。但是，軟包電池也有缺點，比如一致性差，成本高，容易漏液。作為一種新型動力電池，軟包電池未來提升空間很大。
04物理途徑小結(jié)
對比分析以上提升動力電池性能的物理途徑來看，圓柱電池的發(fā)展已經(jīng)遇到天花板，未來提升空間不大；軟包電池與方形電池將來會有較大的競爭力。動力電池降成本的重要途徑就是標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化。未來全國動力電池若能建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)格、統(tǒng)一形狀、統(tǒng)一尺寸以及批量生產(chǎn)，相信動力電池的生產(chǎn)效率將大幅提升，成本將大幅下降。例如，當(dāng)年福特發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方式讓汽車的價格從2000美金降到了300美金。在未來大規(guī)模使用新能源汽車過程中，方形電池是最具發(fā)展?jié)摿Φ摹Ｋ梢宰屓珖男履茉雌嚩疾捎媒y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方形電池，續(xù)航里程大的純電動汽車，方形電池可以疊加得多一些，續(xù)航里程短的混動汽車，方形電池可以疊加得少一些。電池封裝系統(tǒng)也可以全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)動力電池容量的不同，分別采取相應(yīng)的電池封裝技術(shù)，將方形電池封裝起來。將方形電池與封裝技術(shù)結(jié)合起來，形成全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方形電池封裝技術(shù)，將極大的降低動力電池的生產(chǎn)成品，提升動力電池性能。助力中國汽車工業(yè)實現(xiàn)彎道超車，達(dá)到世界頂尖水平。
化學(xué)途徑
01高鎳NCM與NCA正極材料
正極材料是動力電池能量的短板，只要正極材料比容量提高就能提高電池能量密度。正極材料的比容量一般為100-200mAh/g，而石墨負(fù)極材料的比容量高達(dá)400mAh/g。采用高容量的正極材料，能夠讓負(fù)極、隔膜、電解液用量之間的搭配更加完美，電池最終能量密度的提升直接取決于正極材料比容量的提升。動力電池能量密度突破的關(guān)鍵就在于正極材料。
目前國內(nèi)NCM111和NCM523型三元正極材料產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，并開始大規(guī)模使用，而新型622NCM則已逐步在部分動力電池企業(yè)中推廣，未來將逐步拓展至811NCM以及NCA材料。當(dāng)然三元鋰電池也有自己的瓶頸，它的正極理論比容量的最大值是300mAh/g，達(dá)到300mAh/g就已經(jīng)是極限。三元鋰電池是目前動力電池廠商主攻的方向，未來將有新型的正極材料系統(tǒng)。
02硅碳負(fù)極
動力電池的負(fù)極材料主要是硅碳負(fù)極，即在石墨材料加入硅，其理論能量密度高達(dá)4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3中采用了新型硅碳負(fù)極材料，特斯拉在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入10%的硅，使其能量密度達(dá)到550mAh/g以上。國內(nèi)貝特瑞公司研發(fā)的S1000型號硅碳負(fù)極材料的比容量更是高達(dá)1050mAh/g。負(fù)極材料目前沒有技術(shù)瓶頸，完全能滿足動力電池的各種需求。
03隔膜性
隔膜在單體電池上主要用來隔開正負(fù)極，讓電解液能夠通過隔膜在正負(fù)極之間交換物質(zhì)。受制于電池體積所限，以及提高電池能量密度的要求，動力電池隔膜需要盡量輕、薄。隔膜性能決定了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池容量、安全性能等。優(yōu)質(zhì)隔膜對提升電池性能作用巨大。
隔膜技術(shù)有干法與濕法兩種制造工藝，干法成本較低但只適合小功率電池，濕法成本高但能適合大功率電池。早期，動力電池主要采用干法隔膜，目前濕法隔膜開始推廣使用，預(yù)計2020年干濕法薄膜技術(shù)各占一半，分別應(yīng)用于中低端與高端領(lǐng)域。隔膜工藝的核心技術(shù)掌握在日本旭化成公司手中。中國有大量企業(yè)生產(chǎn)隔膜，但無核心技術(shù)。旭化成干法現(xiàn)在可量產(chǎn)12微米隔膜，濕法可量產(chǎn)6-7微米。國內(nèi)企業(yè)大多只能生產(chǎn)干法20-40微米隔膜。對比與隔膜行業(yè)世界一流水平企業(yè)的差距，我國企業(yè)應(yīng)該引進(jìn)先進(jìn)工藝設(shè)備，苦練內(nèi)功，力爭取得突破。
04新型電解液LiFSI
鋰電池電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體。一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液在鋰電池正、負(fù)極之間起到傳導(dǎo)離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。
鋰電池主要使用的電解質(zhì)是六氟磷酸鋰。用含氟鋰鹽制成的電池性能好，無爆炸危險，適用性強。在鋰電池電解質(zhì)中添加LiFSI后，可提高離子導(dǎo)電率及電池充放電特性。比如，反復(fù)充放電300次后，1.2MLiPF6的情況下放電容量保持率會降至約60％，而在1.0MLiPF6中添加0.2MLiFSI后，保持率可超過80％。目前LiFSI已經(jīng)進(jìn)入商用，用此種電解質(zhì)廢棄電池處理工作相對簡單，對生態(tài)環(huán)境友好，因此該類電解質(zhì)的市場前景十分廣泛。
05化學(xué)途徑小結(jié)
對比分析以上四種提升動力電池性能的化學(xué)途徑，未來提升動力電池比容量的關(guān)鍵點在正極材料。而正極材料目前是短板，補齊短板，動力電池的比容量提升將有質(zhì)的飛躍。目前，全球廠商均集中力量研究三元鋰動力電池，在鋰正極中主要是加入鎳、鈷、錳三元素。并不斷調(diào)配三種元素之間的比例以提升電池性能。未來更有前途的三元材料是鎳、鈷、鋁，不斷調(diào)配實驗這三種材料間的配比，將會獲得能量密度更大的三元鋰電池。新型三元鋰電池通過與硅碳負(fù)極的適配，再搭配新型電解液LiFSI，并用更薄的濕法薄膜包裹，將使得新型動力電池的能量密度更高、環(huán)境更友好、安全性更高以及循環(huán)壽命更長。
動力電池展望
現(xiàn)有體系下，電池能量密度的理論極限為300Wh/kg，如果要達(dá)到2025年，新體系動力電池技術(shù)取得突破性進(jìn)展，單體比能量達(dá)500Wh/kg，有前景的方案包括固態(tài)鋰電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等新的電化學(xué)體系電池。
固態(tài)電池大規(guī)模商用的可能性最高，因為固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池在工作原理上并無區(qū)別，只是電解質(zhì)為固態(tài)與液態(tài)的區(qū)別。由于固態(tài)電池不再使用石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰負(fù)極，所以大大減輕負(fù)極材料用量，使得整個電池的能量密度明顯提高。目前實驗室已試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池，安全性能也比較高，不過該種電池體積較小，成本較高，目前僅在蘋果手機等高端小巧設(shè)備上有應(yīng)用。
鋰硫電池的能量密度最高，目前實驗室試制的鋰硫電池比能量密度可達(dá)500Wh/kg，硫作為正極材料理論比能量高達(dá)2600Wh/kg，且單質(zhì)硫成本低、對于環(huán)境友好，但是，鋰硫電池在試制過程中有諸多技術(shù)難題無法突破，包括安全性、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性等。鋰硫電池應(yīng)用前景廣闊，環(huán)境友好，如果試制成功，無異于一場革命，新能源汽車將會迅速取代傳統(tǒng)燃油汽車。
鋰空氣電池的續(xù)航里程最長，單次續(xù)航里程可達(dá)2000公里，不僅如此，鋰空氣電池比能量有望超過700Wh/kg。金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10倍，體積更小，重量更輕。但是鋰金屬過于活潑，碰見水蒸汽馬上會發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)，其安全性、穩(wěn)定差。鋰空氣電池的應(yīng)用還有諸多技術(shù)難關(guān)要攻克。
