——中國電科十八所化學(xué)與物理電源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任丁飛
8月7日，由華北電力大學(xué)、中國可再生能源學(xué)會(huì)主辦的“第一屆中國儲(chǔ)能學(xué)術(shù)論壇暨風(fēng)光儲(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)大會(huì)”在北京召開，會(huì)議為大力推廣風(fēng)能、太陽能、儲(chǔ)能創(chuàng)新技術(shù)，推動(dòng)風(fēng)光互補(bǔ)、太陽能+儲(chǔ)能、風(fēng)光儲(chǔ)技術(shù)以及智能微電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合能源服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用；搭建風(fēng)能、太陽能與儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新應(yīng)用的交流與合作平臺(tái)，推進(jìn)風(fēng)電、太陽能發(fā)電無補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。
主旨報(bào)告環(huán)節(jié)，中國電科十八所化學(xué)與物理電源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任丁飛作了題為“動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢”的報(bào)告。
各位老師、同學(xué)，大家下午好！非常高興有這個(gè)機(jī)會(huì)跟大家一起交流匯報(bào)一下我這里做的一些工作。我們中國電科十八所和力神公司都是長期從事化學(xué)電源工作的單位，今天是儲(chǔ)能的論壇，現(xiàn)在動(dòng)力電池跟儲(chǔ)能電池用電體系非常接近，我想今天把動(dòng)力電池的事情給大家匯報(bào)清楚了，儲(chǔ)能電池也基本就清晰了。
這是我匯報(bào)的主要內(nèi)容：首先介紹一下動(dòng)力電池國內(nèi)外進(jìn)展情況，最后再說一下儲(chǔ)能電池“十二五”以來的一些進(jìn)展以及后面“十四五”的一些目標(biāo)。
首先來看一下，IEA 2018年對(duì)新能源汽車的預(yù)測，政策支持和動(dòng)力電池成本不斷下降的情況下，加上我們現(xiàn)在環(huán)境不斷變化的壓力，有可能到2030年的時(shí)候全球所有汽車?yán)锩嬗?0%的車要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化。
上午幾位老師都提到了我們國家新能源汽車，我們國家新能源汽車應(yīng)該是在國際上發(fā)展最快的，一方面是可再生能源用電來驅(qū)動(dòng)，另外一方面很重要的原因就是，目前我們的石油有60%都是給車燒掉了，加上其他一些動(dòng)力系統(tǒng)，80%以上的石油都是給汽車、其他動(dòng)力在使用。而我們的石油儲(chǔ)備只有40天，所以實(shí)際上從安全角度來講，發(fā)展電動(dòng)汽車是非常急迫的事情。
現(xiàn)在我們國家電動(dòng)汽車、新能源汽車研發(fā)體系、產(chǎn)業(yè)體系都已經(jīng)相對(duì)比較成熟了，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，我們新能源汽車應(yīng)用推廣是世界第一的，我們的目標(biāo)是在2020年的時(shí)候，希望能夠產(chǎn)銷量達(dá)到200萬輛，2025年的時(shí)候新能源汽車站汽車總銷量的20%以上。
我們來看一下，什么樣的電池是一個(gè)完美的動(dòng)力電池，這里面有一些指標(biāo)，比如說高的能量密度、高的功率密度、高的安全性、長的循環(huán)壽命等等。顯然我們現(xiàn)在還有很多技術(shù)和科學(xué)上的問題要去繼續(xù)解決，比如我們要不斷提高現(xiàn)有電池的能量密度，從現(xiàn)在的200多瓦時(shí)/公斤，提升到400瓦時(shí)/公斤，可以把汽車?yán)m(xù)航成提高一倍，上午也說了，現(xiàn)在電池還有好多安全性問題，在后面“十四五”里面重點(diǎn)要解決這個(gè)，或者進(jìn)一步提升動(dòng)力電池的安全性。再一個(gè)，“十四五”的時(shí)候也沒有提出一個(gè)目標(biāo)，希望所有的電動(dòng)車都能夠?qū)崿F(xiàn)10分鐘充電80%的目標(biāo)。
基于剛才對(duì)未來的市場趨勢，研究動(dòng)力電池主要的國家像日本、美國、德國都在開展這方面的工作以及相應(yīng)的國家規(guī)劃。日本鋰離子電池除了一方面提高現(xiàn)有的鋰離子電池能量密度，也不停的開發(fā)下一代電池。美國他們的電池研究路線原本是相對(duì)比較保守的，6年的時(shí)候他提出了一個(gè)技能，他用5年時(shí)間去搜集有沒有一種可能性把電池的能量密度提升到500瓦時(shí)公斤，已有的鋰離子電池能夠支撐400瓦時(shí)/公斤的能量密度。德國對(duì)動(dòng)力電池研究，除了對(duì)不同的材料和電能體系有它的工作之外，對(duì)電池的可靠性，生產(chǎn)中的質(zhì)量可靠性這方面也做了更多的工作。
這里特別提一下，在2018年的時(shí)候，日本結(jié)合了豐田、本田、日產(chǎn)在內(nèi)的23家汽車電池材料的企業(yè)還有相關(guān)的研究所，一共投入了100億日元，專門開發(fā)下一代的動(dòng)力電池汽車。后面我會(huì)再給大家介紹一下固態(tài)電池相關(guān)的情況。
從上面的分析來看，因?yàn)榛趧偛潘f的未來的需求，實(shí)際上動(dòng)力電池已經(jīng)成為一個(gè)各個(gè)地方的像動(dòng)力電池技術(shù)強(qiáng)國分秒必爭的一個(gè)戰(zhàn)場，大家希望都能夠在這個(gè)技術(shù)上搶先占據(jù)制高點(diǎn)。
我們國家在動(dòng)力電池實(shí)際也布置了很詳細(xì)的國家科技規(guī)劃，比如節(jié)能與新能源汽車的國家規(guī)劃、“十三五”計(jì)劃新能源汽車重點(diǎn)方向，“中國制造2025”“汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃”，得對(duì)電池的技術(shù)發(fā)展制訂了詳細(xì)的路線圖，比如中國制造從2025年到2030年都有詳細(xì)的路線，總的來看目前我們動(dòng)力電池的發(fā)展也是按照它的動(dòng)力電池路線來實(shí)現(xiàn)的。
比如科技部“十三五”關(guān)于電動(dòng)汽車重點(diǎn)研發(fā)方向的動(dòng)力電池安排，包括了電池、電機(jī)、電控三大方面，都囊括在里面了，在電池里面重點(diǎn)是要突破動(dòng)力電池的新材料、新體系，高比能鋰離子電池、高功率電池、動(dòng)力電池系統(tǒng)、測試評(píng)估等相關(guān)的方法?？偟哪繕?biāo)，產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)，鋰離子電池技術(shù)要達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，動(dòng)力電池系統(tǒng)210瓦時(shí)/公斤。
在2018年的時(shí)候，我們對(duì)整個(gè)“十三五”項(xiàng)目進(jìn)行了中期的檢查或者監(jiān)督，基本上我們現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展的比較順利，應(yīng)該說可以實(shí)現(xiàn)剛才的目標(biāo)。同時(shí)，像汽車工業(yè)協(xié)會(huì)已經(jīng)開始組織2035年前的新能源汽車路線圖，在9個(gè)專項(xiàng)里面其中有4個(gè)專項(xiàng)是與動(dòng)力電池相關(guān)的，我們十八所和中科院物理所在聯(lián)合牽頭做動(dòng)力電池技術(shù)路線。
下面說一下動(dòng)力電池具體技術(shù)上的一些進(jìn)展情況。
在過去的三個(gè)“五年計(jì)劃”里面，我們的動(dòng)力電池伴隨著整個(gè)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們經(jīng)過了從最早的鈷酸鋰動(dòng)力電池體系，經(jīng)過中間的磷酸鐵鋰，現(xiàn)在基本上已經(jīng)穩(wěn)定為三元電池為主，兼顧磷酸鐵鋰這么一個(gè)電池的主體系?，F(xiàn)在我們這些電池從最初的130瓦時(shí)/公斤，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在250瓦時(shí)/公斤，現(xiàn)在高一點(diǎn)做到220瓦時(shí)/公斤，可以說很好的支撐我們對(duì)混合動(dòng)力、動(dòng)力電池相關(guān)的技術(shù)要求。
目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的電池的一些體系，比如磷酸鐵鋰、石墨的體系，特點(diǎn)就是成本比較低，能量密度可以做到180瓦時(shí)/公斤，目前主要在大巴車上使用。鈷酸鋰和石墨，它的特點(diǎn)就是成本比磷酸鐵鋰略高一點(diǎn)，但是它的一些性能比磷酸鐵鋰好，它也是用在大巴上，尤其是混合動(dòng)力上鈷酸鋰用得更多一點(diǎn)。
下面幾行都是三元的體系，三元電池的體系它的能量密度在250瓦時(shí)/公斤或者往上一點(diǎn)，主要用在乘用車?yán)锩妗⑵綍r(shí)的私家車?yán)铩?/div>
我整理了一下2014—2018年乘用車領(lǐng)域所使用的動(dòng)力電池變化的情況，對(duì)乘用車混合動(dòng)力，2014年的時(shí)候是磷酸鐵鋰為主，到現(xiàn)在基本上以三元材料為主。純電動(dòng)2014年是磷酸鐵鋰占70%，第一批的電動(dòng)車基本都是磷酸鐵鋰的，現(xiàn)在看純電動(dòng)車的車擁車90%以上都是用三元的材料，現(xiàn)在咱們?cè)谑忻嫔闲鲁龅?00公里以上的車，能量密度也從最初的90瓦時(shí)、100瓦時(shí)，提升到現(xiàn)在的系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)，大概在120瓦時(shí)/公斤左右。
對(duì)于乘用車，早期也是磷酸鐵鋰為主，現(xiàn)在混合動(dòng)力基本上采用了鈷酸鋰這個(gè)體系，乘用車也是，早期磷酸鐵鋰占了很大比例，現(xiàn)在也有一部分鈷酸鋰體系。
我們電池系統(tǒng)能量密度的變化，實(shí)際上磷酸鐵鋰的能量密度跟三元密度是接近的，大概都在120瓦時(shí)/公斤，實(shí)際上三元的能量密度比磷酸鐵鋰高很多，主要因?yàn)槿迷谛≤嚴(yán)锩?，小車受到空間和一些要求比較高的制約，三元電池的成本效率相對(duì)要比在大巴車的成本效率低，所以最后綜合起來能量密度這兩個(gè)體系，單看能量密度是相同的，120瓦時(shí)/公斤左右。
下面幾頁說了一下現(xiàn)在動(dòng)力電池一些具體的技術(shù)情況。剛剛說了，現(xiàn)在動(dòng)力電池單體能量密度可以做到250瓦時(shí)/公斤做到200瓦時(shí)/公斤之間。2018年推出了，現(xiàn)在市面上300公里以上的電動(dòng)車，人家能量密度不會(huì)達(dá)到200瓦時(shí)/公斤。
在快充技術(shù)方面，這些年我們也獲得了很大的提升，做的比較好的其中有一個(gè)是北京的單位，另外還有浙江的微宏動(dòng)力，在快充方面，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以做到一些車輛型號(hào)已經(jīng)可以做到10分鐘充電80%，循環(huán)在1000次左右，基本上思路還是材料到電解液的現(xiàn)在設(shè)計(jì)，盡量控制它的內(nèi)阻，比如過程中遇到的一些安全性問題要提前做好設(shè)計(jì)。早期2010年左右的時(shí)候，那時(shí)候車單體做到100瓦時(shí)/公斤，現(xiàn)在單體可以做到180—200瓦時(shí)/公斤，這個(gè)基礎(chǔ)提升主要基于蔡老，材料技術(shù)這些年對(duì)于材料的低溫性能和導(dǎo)電性、治理性不斷提升，我們電池重要的是比之前能量密度幾乎翻了一番。
我們“十三五”目前的一個(gè)推動(dòng)專項(xiàng)的項(xiàng)目進(jìn)展情況，現(xiàn)在材料方面，我們正極材料可以做到400安時(shí)/克，幾乎在“十三五”前的指標(biāo)上漲了接近反倍的指標(biāo)。我們也開發(fā)出了300瓦時(shí)/公斤工程級(jí)的，很快應(yīng)該可以在車輛上進(jìn)行測試。
快充方面，包括電池方面都取得了很好的進(jìn)展。
300瓦時(shí)/公斤電池是目前動(dòng)力電池里面行業(yè)競爭的熱點(diǎn)，除了寧德時(shí)代、立神、國軒、中航之外，一些主要的項(xiàng)孚能、盟固利等等都在里面，也取得了比較好的成果。
下一步鋰離子，區(qū)塊鏈?zhǔn)?50—400公里/公斤，這里面提一下，首次開發(fā)的材料，達(dá)到400毫安時(shí)/克以上，不僅應(yīng)用于現(xiàn)在400瓦時(shí)/公斤的設(shè)計(jì)，200左右的也有涉及。鋰空氣電池、鋰硫電池、固態(tài)電池，這些體系存在的問題循環(huán)壽命還不行。
剛才說了固態(tài)電池，現(xiàn)在說是國內(nèi)外研究的一個(gè)重點(diǎn)，這里面沒有可燃的業(yè)態(tài)電解液，就是用高離子固體電解質(zhì)替代現(xiàn)在電池里面的可燃性有機(jī)電解液的。除了電解液的提高，能量密度、循環(huán)壽命都可以有一定的提升。
國際上像美國、加拿大、歐言、法國、德國、中日韓都在做，美國和歐洲主要的技術(shù)路線是以加上一些墊電解質(zhì)。日本、韓國堅(jiān)持以無記位改造他們一直堅(jiān)持用全固態(tài)的固態(tài)電池，這樣能保證電池絕對(duì)的安全性。像風(fēng)電提出的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)能大幅度提升固態(tài)電池的能量密度，同時(shí)這套技術(shù)開發(fā)成功以后在業(yè)態(tài)電池里面也可以做一個(gè)推廣。
我們國家現(xiàn)在應(yīng)該說全世界固態(tài)電池研發(fā)最火熱的地方，我們國內(nèi)的研發(fā)技術(shù)路線現(xiàn)在采用的是有機(jī)無機(jī)復(fù)合加入業(yè)態(tài)的電解液，第一步，我們叫工業(yè)復(fù)合，在這個(gè)基礎(chǔ)上我們?cè)偃虘B(tài)電解質(zhì)，物理所有一個(gè)初創(chuàng)的北京蔚藍(lán)公司，清華大學(xué)在昆山有一個(gè)健康育人，寧波所他們有一個(gè)公司贛鋒鋰業(yè)公司合作的。我們公司從材料開始到電池都有相關(guān)的合作專利，我們?cè)缙谧龅墓腆w電池。我們還提出過聚合物電解質(zhì)，我們這個(gè)電解質(zhì)和其他電解質(zhì)相比，我在使用上是不需要家我的。目前是有機(jī)、無機(jī)符合去做，我覺得再過一兩年工程放大的一些問題我們第一代的固態(tài)電池可能影響還是比較大的。
說一下我們國家動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化的情況。我們國家動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化情況，現(xiàn)在發(fā)展的還是比較迅速的，母親來看，基本上形成了四個(gè)主要的聚集區(qū)，比如珠三角、長三角、經(jīng)濟(jì)地區(qū)，從電池、光間材料、系統(tǒng)集成、回收提高、評(píng)估市場都形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
當(dāng)然我們現(xiàn)在也可以看到，從2025年以后，實(shí)際上相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始舉重，就是產(chǎn)業(yè)的集中度在逐步提升。目前我們有90家家企業(yè)，實(shí)際上我們現(xiàn)在的設(shè)計(jì)產(chǎn)能已經(jīng)超過了2020年預(yù)期的產(chǎn)能，后面這段時(shí)間里估計(jì)有的企業(yè)會(huì)從產(chǎn)業(yè)鏈里面出局。
這些年我們的產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個(gè)特點(diǎn)就是說，整個(gè)動(dòng)力電池的數(shù)字化、智能化、信息化每年的非常好，以前都是公司自己做，他要提供完整的動(dòng)力電池的方案。
在數(shù)字化智能化的基礎(chǔ)上，我們從控制點(diǎn)Cpk來看2094增長到1.33，總的合理率從以前的90%提高到現(xiàn)在的99.8%。
最后提一下資源的問題。前一段也和有一些人提出這個(gè)疑問，動(dòng)力電池這么快的進(jìn)行擴(kuò)張之后，重要的礦山夠不夠，在IEA的統(tǒng)計(jì)里面，隨著材料技術(shù)的提升，對(duì)一些材料的含量是下降的，對(duì)鋰元素、鎳元素2018年的時(shí)候需求量也開始往下走了。
最后快速說一下儲(chǔ)能電池“十三五”的發(fā)展和“十四五”的目標(biāo)。
儲(chǔ)能電池剛才我們知道，除了物理電能像抽水蓄能、壓縮空氣，化學(xué)儲(chǔ)能里面，除了鋰離子電池之外，還有液流電池、鉛炭、鈉硫電池的體系。
這是“十三五”期間電網(wǎng)基礎(chǔ)支持的項(xiàng)目，包括鋰離子電池、高速飛輪、業(yè)態(tài)金屬、海水儲(chǔ)能相關(guān)的項(xiàng)目。
前一段總結(jié)的時(shí)候，目前可以做到這樣，鋰離子儲(chǔ)能電池循環(huán)壽命大于1萬次，成本小于100美元，百兆瓦儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)落地。液流電池方面，大化所實(shí)現(xiàn)了200兆瓦、800兆瓦時(shí)的驗(yàn)證，能量密度不小于67%，我們鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)也開始運(yùn)行。
鋰離子電池儲(chǔ)能產(chǎn)品是目前發(fā)展比較快的一個(gè)技術(shù)路線，它跟動(dòng)力電池一樣也是分兩大類，一類是磷酸鐵鋰的，一類是三元材料的，韓國用的比較多的是三元材料的體系，我們國內(nèi)基本上用的磷酸鐵鋰。
從電站的角度，從10兆瓦的示范電站現(xiàn)在也在百兆瓦電池開始有一些在建，我覺得電站實(shí)際運(yùn)營中還有很多科學(xué)和技術(shù)問題進(jìn)一步去分析，像韓國前一段儲(chǔ)能電站出了問題，后面實(shí)際應(yīng)用中還有很多問題需要去解決。
這是我對(duì)未來儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢的想法，我覺得現(xiàn)在來看，鋰離子電池在2020年之前實(shí)現(xiàn)1萬次能量效率90%、度電成本4毛/度，這是電池單體，也不是電站。目前這個(gè)指標(biāo)是沒問題的，是可以做到的。
“十四五”的時(shí)候，目標(biāo)是希望要做到1500次循環(huán)，能量效率繼續(xù)保持大概90%，度電成本希望降到2毛/度電，現(xiàn)在來看，有一定的可能性，但是技術(shù)難度依然很大，對(duì)于鋰離子電池來講。同時(shí)我想其他新型的儲(chǔ)能技術(shù)，比如說儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電的協(xié)同，壓縮空氣，納離子電池儲(chǔ)能、相片儲(chǔ)能這些，我覺得只要找到適宜的相關(guān)的地點(diǎn)，這些儲(chǔ)能技術(shù)還是很有可能去顛覆現(xiàn)在鋰離儲(chǔ)能技術(shù)的。
