動力電池在提高能量密度上的新進展

高萍萍

根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃，到2020年我國動力鋰電池要達(dá)到300～350wh/kg的能量密度，而按照目前國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)水平，要在不到4年的時間里完成規(guī)劃的目標(biāo)顯得非常緊迫。盡管該規(guī)劃是針對新能源電動汽車的鋰電池，但對電動自行車同樣適用。一旦新能源純電動汽車大量采用成本較低的能量密度相對較高的鋰電池，無疑將對電動自行車轉(zhuǎn)型與升級帶來巨大的推動作用。電動自行車要實現(xiàn)“輕、精、巧、高、智”，動力電池必須要采用能量密度高的鋰電池。

那么，如何提升鋰電池的能量密度？筆者認(rèn)為，通過改變鋰電池的正負(fù)極材料、隔膜等原材料體系是最佳的途徑。為提升能量密度、把握好技術(shù)路線，進而在未來激烈競爭中占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢，不少動力電池企業(yè)作了充分的規(guī)劃與技術(shù)儲備。截至目前，這些企業(yè)技術(shù)儲備程度如何，離產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化距離還有多遠(yuǎn)？在此，筆者作—簡略的介紹。

一、高壓實磷酸鐵鋰材料電池

自2016年11月份開始，動力鋰電池企業(yè)開始大規(guī)?？s減磷酸鐵鋰電池產(chǎn)能。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與國家對新能源汽車補貼新政有直接的關(guān)聯(lián)。

新政補貼方案以電池系統(tǒng)能量密度的高低為補貼的依據(jù)。盡管目前不少電池企業(yè)的磷酸鐵鋰單體電芯能量密度可以做到120～140 wh/kg，但成組后的電池系統(tǒng)能量密度大多不超過100 wh/kg。這意味著已經(jīng)申報的大部分車型只能獲最低檔補貼標(biāo)準(zhǔn)，從而嚴(yán)重削弱了車企發(fā)展純電動客車的積極性。

在此情況之下，為配合車企拿到盡可能多的補貼，動力鋰電池企業(yè)只能停止生產(chǎn)現(xiàn)有能量密度低的產(chǎn)品，在短期內(nèi)通過制造工藝升級、優(yōu)化PACK方案等提升電池系統(tǒng)的能量密度，同時要求正極材料企業(yè)研發(fā)更高性能的磷酸鐵鋰材料。這主要是指高壓實磷酸鐵鋰材料的研發(fā)。但現(xiàn)實是，從產(chǎn)品經(jīng)過測試再到批量生產(chǎn)，進入到電池廠供應(yīng)鏈，需要有較長時間的等待。

二、高鎳三元材料電池

隨著三元電池的安全性逐步得到驗證，加之消費市場對于續(xù)航里程的需求提升，國家政策叉傾向扶持高能量密度的動力電池，在能量密度上具有顯著優(yōu)勢的高鎳三元材料電池已被業(yè)界普遍看好，目前成為眾多動力鋰電池企業(yè)的研究熱點。

不過，雖然國內(nèi)大型動力電池企業(yè)都將高鎳三元材料電池作為下—代動力鋰電池的研發(fā)目標(biāo)，但目前仍處于研發(fā)測試階段，還未進入批量化生產(chǎn)，離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化尚存距離。

業(yè)內(nèi)人士指出，高鎳三元材料電池的安全性受正極材料制備、制造環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備、電芯制造工藝等多重因素的影響。其中，高鎳三元正極材料的不成熟和高鎳三元電池制造工藝技術(shù)尚未突破是阻礙其產(chǎn)業(yè)化的主要原因。

三、固態(tài)電池

中國工程院陳立泉院士非?？春萌虘B(tài)電池，認(rèn)為全固態(tài)電池是我國實現(xiàn)領(lǐng)跑的難得機遇。在他看來，新能源電動車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展需要進行技術(shù)儲備，而固態(tài)電池有望成為中國下一代車用動力電池主導(dǎo)的技術(shù)路線。

陳立泉院士的觀點得到了業(yè)內(nèi)人士的支持。一位動力電池企業(yè)的董事長介紹：現(xiàn)有的材料體系已經(jīng)無法達(dá)到國家對新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的指標(biāo)（2020年的純電動汽車動力電池的能量密度目標(biāo)為300～350 wh/kg；2025年目標(biāo)為400wh/kg；2030年目標(biāo)為500 wh/kg），而固態(tài)電池有可能成為新能源汽車下一代動力電池的技術(shù)發(fā)展路線。

事實上，一大批國內(nèi)外領(lǐng)軍企業(yè)已經(jīng)開始做固態(tài)電池的儲備研發(fā)，也不乏一些國內(nèi)的初創(chuàng)公司，針對聚合物固態(tài)鋰金屬電池、氧化物鋰金屬固態(tài)電池、硫化物固態(tài)電池等新型電池進行研究。

不過，全固態(tài)電池尚處在研發(fā)早期，主要存在兩個問題：一是固態(tài)電解質(zhì)在室溫條件下的離子電導(dǎo)率不高；二是固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間界面阻抗比較大。目前業(yè)界的共識是，現(xiàn)在談全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化還為時尚早，因為與其配套的材料、設(shè)備、工藝還不成熟。

四、超級錳酸鋰電池

一直以來，錳酸鋰電池沒有得到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，主要基于兩大原因：一是能量密度低，二是循環(huán)性能差。一位鋰電行業(yè)資深學(xué)者認(rèn)為，這與錳酸鋰材料本身有一定關(guān)系，但根本原因還是國內(nèi)企業(yè)在錳酸鋰電池上投入不夠。

值得一提的是，當(dāng)前中國新能源汽車正處于快速發(fā)展階段，很多細(xì)分領(lǐng)域蘊藏著龐大的市場商機。在此背景下，國內(nèi)個別電池企業(yè)在錳酸鋰電池方面有了研發(fā)的突破，并在電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)不錯。例如：星厘電源與中國科學(xué)院物理研究所等產(chǎn)學(xué)研合作，采用表面氧化鋁包覆和鋁滲透摻雜技術(shù)，提升了錳酸鋰材料在電池中的高溫循環(huán)性和穩(wěn)定性，構(gòu)建了改性錳酸鋰動力電池的生產(chǎn)體系和新工藝，自主開發(fā)了自動化裝備，成功實現(xiàn)超級錳酸鋰正極材料和車用動力電池的量產(chǎn)。經(jīng)過10多年技術(shù)沉淀和產(chǎn)業(yè)化積累，該公司的超級錳酸鋰電池的循環(huán)壽命突破2000次，在高低溫性能、安全性能方面優(yōu)勢顯著。更為關(guān)鍵的是，該公司的電池成本在過去的幾年里大幅度降低。在剛剛過去的2016年，星恒電源在電動物流車領(lǐng)域異軍突起，在國內(nèi)鋰電自行車市場也占有重要的一席之地。

五、快充型磷酸鐵鋰電池

從消費者角度而言，都希望電動汽車、鋰電自行車充電時間越短越好，因而快充型動力電池頗受歡迎。值得注意的是，作為完整的解決方案，除了提升充電速率，快充技術(shù)還得考量其他4個指標(biāo)，分別是能量密度、壽命、安全性和價格，否則單獨談充電速率是沒有意義的。這5個指標(biāo)處在一個相對穩(wěn)定的雷達(dá)圖里。如何不犧牲能量密度，不影響循環(huán)壽命，又安全穩(wěn)妥地提升充電速度是產(chǎn)業(yè)鏈上各方的極致追求。

目前業(yè)界快充技術(shù)主要有磷酸鐵鋰快充技術(shù)、納米鈦酸鋰快充技術(shù)等。

據(jù)了解，一家企業(yè)在正極上，開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)，使得磷酸鐵鋰具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電性能，同時磷酸鐵鋰的正極也兼顧了快充電池系統(tǒng)的超高安全性和可靠性。這家企業(yè)選擇的磷酸鐵鋰/石墨快充技術(shù)擁有3大特點：首先是高倍率，10min迅速充滿，基本可媲美燃油車的加油時間；其次是長壽命，可達(dá)到超過10 000次的充放電循環(huán)，滿足對于客車客戶使用8年的質(zhì)保需求；再次是高安全的體系，磷酸鐵鋰是現(xiàn)階段較成熟、安全的動力電池，其在“十一五”開始示范應(yīng)用，在“十二五”電動車發(fā)展中擔(dān)任主力軍。磷酸鐵鋰電池是經(jīng)過實踐驗證的較為成熟的電池材料。

六、石墨烯鋰電池

石墨烯是近年來炒得很火的一款材料。在動力鋰電池領(lǐng)域，石墨烯也有了實際的應(yīng)用。據(jù)介紹：比亞迪公司將石墨烯作為導(dǎo)電劑使用已經(jīng)有2-3年了，由于石墨烯導(dǎo)電性比其他導(dǎo)電劑更好，可以適當(dāng)減少添加量，從而省出空間給活性材料，使用后相比普通的磷酸鐵鋰電池能量提升3～5%，在成本上也比碳納米管的還低一些。

目前石墨烯只是用于動力鋰電池的導(dǎo)電劑，并沒有發(fā)現(xiàn)其他更多的功能。一位業(yè)內(nèi)專家介紹，采用石墨烯包覆技術(shù)后，鋰電池材料性能可以改善，比如提高材料導(dǎo)電性，提升電池循環(huán)性能、功率性能，容量也有所提升（基本上忽略不計），但最終想要提升能量密度是不能指望導(dǎo)電劑的，關(guān)鍵點還在正負(fù)極活性材料上。

一些企業(yè)已經(jīng)在擴產(chǎn)石墨烯動力鋰電池項目上付諸實施。消息顯示，不久前，青島國際石墨烯科技創(chuàng)新園二期（石墨烯鋰離子動力電池組裝產(chǎn)業(yè)化）項目正式建設(shè)。該項目總投資2億元，由青島海福得納米科技有限公司投資建設(shè)。項目主要是將先進的石墨烯產(chǎn)品研發(fā)制造工藝融入鋰離子動力電池設(shè)計制造中，全面提升電池產(chǎn)品質(zhì)量和續(xù)航能力。

七、燃料電池

補貼新政對于燃料電池汽車的“特殊照顧”引起了業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。通知指出，除燃料電池汽車外，各類車型2019～2020年中央及地方補貼標(biāo)準(zhǔn)和上限，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上退坡20%。

對于燃料電池車，按照燃料電池車的類型進行補貼。對于燃料電池乘用車給予20萬元/輛補貼。對于燃料電池小型貨車、客車給予30萬/輛補貼。對于燃料電池大中型客車、中重型貨車，給予50萬/輛補貼。燃料電池額定功率與發(fā)動機額定功率相比不小于30%，且不低于30KW。

業(yè)內(nèi)人士表示，隨著電動汽車的補貼退坡加速，燃料電池車較高的補貼額度會逐漸彌補之前價格高的劣勢。鼓勵企業(yè)加大對燃料電池車的研發(fā)投入，2017年將有更多燃料電池車型出現(xiàn)。但有一點須承認(rèn)，中國新能源汽車動力源仍以動力鋰電池為主，在未來相當(dāng)長的一段時間都是如此。不過，在本世紀(jì)初，曾有企業(yè)研發(fā)出用于電動自行車的取名為鋅空燃料電池，充一次電可以行使200 km，并進行了市場化運作，但由于自放電的問題無法得到有效解決而被迫退出市場。隨著科技的進步，燃料電池自放電現(xiàn)象必將得到徹底地解決。可以肯定，用于電動自行車的燃料電池，充一次電可以行使更長里程不是夢。