中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊:如何解決好能量密度、安全性以及散熱等問題,將是電池技術(shù)取得進(jìn)步的關(guān)鍵因素。但目前來看,動(dòng)力電池的革命性產(chǎn)品尚未出現(xiàn)。
作為為提供能源的載體,電池一直被視為新能源汽車最為核心的技術(shù)之一。多年來,不同廠家選擇不同的技術(shù)路線專研電池技術(shù),先后出現(xiàn)了多個(gè)體系。但目前發(fā)展情況仍然不盡如人意,迄今為止,電池技術(shù)依然是全世界新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車發(fā)展中的一塊短板。
“如何解決好能量密度、安全性以及散熱等問題,將是電池技術(shù)取得進(jìn)步的關(guān)鍵因素。”國家“千人計(jì)劃”專家、中國科學(xué)院寧波工程研究院新能源技術(shù)研究所副所長韓偉強(qiáng)在接受本刊記者采訪時(shí)這樣說道。但目前來看,“動(dòng)力電池的革命性產(chǎn)品尚未出現(xiàn)?!?
鋰電池最具優(yōu)勢(shì)
《千人》:動(dòng)力電池技術(shù)是新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)與技術(shù)核心所在。目前,動(dòng)力電池需要解決哪些方面的問題?
韓偉強(qiáng):對(duì)于新能源汽車來說而言,動(dòng)力電池就是為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力來源的電源,是其心臟命脈所在。應(yīng)該說,動(dòng)力電池是“新能源”和“汽車”之間不可或缺的連接桿,沒有動(dòng)力電池,也就無從談起新能源汽車。而汽車動(dòng)力電池需要滿足“低成本、高容量、高安全性”這三個(gè)方面的需求。
《千人》:當(dāng)前用于新能源汽車的動(dòng)力電池有哪些?
韓偉強(qiáng):目前,市場(chǎng)上的動(dòng)力電池主要分為鉛酸電池及改良體系、鎳氫電池和鋰離子電池三類。鉛酸電池的最大優(yōu)勢(shì)是價(jià)格低,但由于鉛是重金屬,其能量密度與純電動(dòng)汽車的要求仍有非常大的差距。加之之前的“血鉛事件”,大家對(duì)鉛酸電池的污染能力有了更深刻的認(rèn)識(shí),如果嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),鉛酸電池的成本優(yōu)勢(shì)也將會(huì)大打折扣。
鎳氫電池曾應(yīng)用于第一代混合動(dòng)力汽車豐田Pruise,在電動(dòng)汽車領(lǐng)域擁有很高的聲望。鎳氫電池的體積比能量密度與鋰離子電池接近,使用水基電解液,在初期表現(xiàn)出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。然而,鎳氫電池的負(fù)極材料是儲(chǔ)氫合金,性能穩(wěn)定的儲(chǔ)氫合金主要原料是稀土,由于中國政府對(duì)稀土資源的重視,儲(chǔ)氫合金的價(jià)格已經(jīng)悄然發(fā)生變化,導(dǎo)致鎳氫電池的成本走高,所以鎳氫電池在動(dòng)力電池市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力并不為業(yè)界看好。
因此,相比之下,鋰離子電池動(dòng)力電池具有更大優(yōu)勢(shì),比如工作電壓高,比能量大,是鎳氫電池的3倍,同時(shí)體積相對(duì)較小,質(zhì)量輕,而且循環(huán)壽命長,自放電率低,無記憶效應(yīng),無污染等。加之,鋰資源又相對(duì)較為豐富,價(jià)格也不很貴。當(dāng)下,國內(nèi)使用的動(dòng)力鋰離子電池體系主要是石墨/磷酸鐵鋰,韓國、日本使用的材料比較多,正極以三元材料和尖晶石錳酸鋰為主,負(fù)極材料包括石墨、硬碳和軟炭。
《千人》:鋰離子電池近年來得到較大關(guān)注,逐漸成為動(dòng)力電池的主流方向。
韓偉強(qiáng):是的。近年來國際上的主要研究機(jī)構(gòu)和汽車廠商都在研究、開發(fā)這個(gè)體系,近期推出的和即將推出的多款純動(dòng)力和混合動(dòng)力汽車,基本都采用鋰離子電池技術(shù)。如美國福特、克萊斯勒,日本的豐田、三菱、日產(chǎn),韓國現(xiàn)代,法國Courreges、Ventury等,國內(nèi)汽車廠商如比亞迪、吉利、奇瑞、力帆等也紛紛選擇在自己的新能源汽車上搭載的動(dòng)力鋰電池。
《千人》:但鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展也存在較大瓶頸。
韓偉強(qiáng):鋰離子動(dòng)力電池的安全性問題一直備受詬病。由于使用有機(jī)溶劑做電解液,這些溶劑是可燃的,有可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果,眾泰和比亞迪電動(dòng)汽車曾經(jīng)發(fā)生的“起火事件”都是這個(gè)原因。同時(shí),目前使用動(dòng)力鋰離子電池的商業(yè)化電動(dòng)汽車還存在一次充電續(xù)駛里程及電池壽命偏短等諸多問題,比如2013 年新款日產(chǎn)聆風(fēng)廣告值為199 公里,實(shí)際路況測(cè)試大概只有125 公里左右,因而只能滿足短程運(yùn)行,這極大地阻礙了消費(fèi)者的購買熱情。除此之外,純電動(dòng)汽車所用鋰離子電池的成本占到整車的近一半,因而推高了純電動(dòng)汽車的價(jià)格。
正因?yàn)榇耍冸妱?dòng)汽車在與混合動(dòng)力汽車在當(dāng)今電動(dòng)汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中明顯處于劣勢(shì),而且我認(rèn)為這種局面在短時(shí)間內(nèi)還很難改變,這些問題需要新的鋰電池技術(shù)來解決。理想情況下,續(xù)駛里程提高四倍,成本降低四倍,并解決安全性問題。我認(rèn)為,鋰空氣電池和全固態(tài)鋰電池可能是好的解決方案,雖然離實(shí)用尚遠(yuǎn)。
“能用、便宜、但不好用”
《千人》:鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)現(xiàn)狀是怎樣的?難點(diǎn)在哪?
韓偉強(qiáng):以材料技術(shù)來分,目前國際上鋰電池主要技術(shù)路線有兩條,以電池技術(shù)處于國際前列的韓國、日本為例,它們的技術(shù)路線基本一致,在材料方面,正極以三元材料和錳酸鋰的混合物為主,負(fù)極以石墨為主,也有部分企業(yè)使用硬碳、軟炭。比如Nissan Leaf,正極材料使用的就是三元+錳酸鋰,負(fù)極材料是石墨。而美國和中國的技術(shù)路線保持一致,主打磷酸鐵鋰電池。從技術(shù)和應(yīng)用角度看,錳酸鋰占了一定優(yōu)勢(shì)。
除材料技術(shù)外,電池的制造技術(shù)也是至關(guān)重要。一組動(dòng)力電池都有幾百個(gè)單體串并聯(lián)組成,電池的一致性、熱管理、冷卻系統(tǒng)等,對(duì)電池的綜合性能都有決定性的影響。
提到技術(shù)難點(diǎn),對(duì)于一個(gè)產(chǎn)業(yè),無時(shí)不刻不在平衡性價(jià)比,目前世界動(dòng)力電池技術(shù)已經(jīng)能夠使汽車在路上跑了,電動(dòng)汽車發(fā)展較慢的核心原因是在性價(jià)比方面還不能勝過內(nèi)燃機(jī)汽車,發(fā)展的方向仍然是性能更好、價(jià)格更便宜。對(duì)于一項(xiàng)具體技術(shù),只有全做好了,才是產(chǎn)品,有一點(diǎn)沒做好,都是廢品。如果非要說難點(diǎn),難點(diǎn)就是要做到精細(xì),包括對(duì)機(jī)理的理解、生產(chǎn)的控制、電池使用中的監(jiān)控等等。
《千人》:我國的動(dòng)力電池研發(fā)技術(shù)處于什么階段?
韓偉強(qiáng):雖然國內(nèi)的生產(chǎn)型企業(yè)很多,但我國的動(dòng)力電池技術(shù)依然非常薄弱。我們對(duì)材料的精細(xì)修飾、匹配性研究等方面做得比較粗糙,延續(xù)了中國產(chǎn)品“能用、便宜、但不好用”的特色。比如,日本企業(yè)的生產(chǎn)線大約有200個(gè)左右的質(zhì)量控制點(diǎn),整個(gè)生產(chǎn)流程都在干燥間內(nèi)完成,最大程度避免了水份的影響。我國電池生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量控制點(diǎn)一般為20個(gè)左右,好的企業(yè)能夠達(dá)到50,控制的嚴(yán)格程度與日本有較大的差距。
我們技術(shù)水平落后于韓國、日本,領(lǐng)先于歐洲和美國,因?yàn)闅W美沒有電池產(chǎn)業(yè),培養(yǎng)出產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)精英需要相當(dāng)長的時(shí)間。在與韓國和日本的差距方面,我們的問題是特 別注重商業(yè)技巧,近年來,鋰離子電池領(lǐng)域的投資還是非常迅猛的,投資過億的項(xiàng)目就有幾十個(gè),期待動(dòng)力電池的井噴。但是,動(dòng)力電池并沒有預(yù)期般迅速到來,而我們?cè)陔姵丶夹g(shù)的精細(xì)控制、跨學(xué)科合作方面做得都還不夠。
《千人》:業(yè)界關(guān)于電動(dòng)汽車使用鋰動(dòng)力電池還是燃料電池的討論由來已久,您怎么看待?
韓偉強(qiáng):燃料電池的本質(zhì)是發(fā)電機(jī),是一個(gè)開放體系,不需要充電,理論上可以持續(xù)放電至燃料或氧氣供給中斷為止,對(duì)于車載體系,燃料種類(氫氣、甲醇)對(duì)于一次續(xù)航里程有非常重要的影響,燃料補(bǔ)充也會(huì)非常容易,接近于汽車加油。
動(dòng)力電池是一個(gè)封閉體系,它的最大能量已經(jīng)確定,即有一個(gè)確定的里程極限。電池充電需要較長時(shí)間,如果更換電池,需要非常專業(yè)的設(shè)備和場(chǎng)地,在北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì),大家都看到了這些專業(yè)換電站的工作方式。
對(duì)于未來電動(dòng)汽車以燃料電池為主還是鋰離子電池為主尚無定論,這一討論勢(shì)必還會(huì)持續(xù)下去。我個(gè)人認(rèn)為,如果燃料制備技術(shù)和燃料電池技術(shù)更便宜可靠,可能會(huì)走向燃料電池為主、鋰離子輔助的形式;如果新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)走得更快,鋰離子驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車會(huì)更方便一些。
韓偉強(qiáng),國家“千人計(jì)劃”入選者,中國科學(xué)院寧波工程研究院新能源技術(shù)研究所副所長;2012年9月從美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室全職回國工作,長期從事鋰電池等新能源技術(shù)以及納米材料和器件的研究工作;迄今在Science和Nature等期刊共發(fā)表學(xué)術(shù)論文100篇,獲他人引用超5500余次,其中兩項(xiàng)工作分別被中科院院士和工程院院士評(píng)為年度十大世界和年度十大中國科技新聞;2007年曾獲Battelle 發(fā)明家獎(jiǎng)。
(原載于《千人》雜志封面報(bào)道,采編/記者 史磊蕾)