鋰電池、固態(tài)電池、燃料電池齊頭并進 未來動力電池誰主沉浮？
日期：2024-10-16 08:16:53 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：559新能源汽車的保有量不大，但近年來發(fā)展勢頭良好，增長率遠超傳統(tǒng)汽車。作為新能源汽車最核心的部件，動力電池的發(fā)展一直備受關(guān)注。目前，鋰電池已深受行業(yè)認可，固態(tài)電池和燃料電池也以更加優(yōu)異的性能被寄予厚望，在動力電池領(lǐng)域，可謂路線多元，同步推進。那么，從全球來看，鋰電池、固態(tài)電池、燃料電池發(fā)展情況如何?未來又將誰主沉浮?
7月19日，在中國汽車技術(shù)研究中心有限公司(以下簡稱“中汽中心”)北京工作部舉辦的中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2018)發(fā)布暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會上，多位專家詳細介紹了三種動力電池的全球狀況以及在我國的發(fā)展水平。
?鋰電池成本大幅下降
據(jù)了解，近年來歐盟加快了推進節(jié)能減排的計劃，2017年G20漢堡峰會上，除美國之外的19個成員國對于進一步促進節(jié)能減排達成共識，并紛紛制定燃油車禁售時間表，其中最早的將從2025年開始執(zhí)行“禁燃”計劃，最遲的也不會晚于2040年。這也說明，新能源汽車將會迎來更快速的發(fā)展期。
有研究數(shù)據(jù)表明，一輛電動汽車與一輛原型燃油車同樣行駛20萬公里，電動汽車可以減少CO2排放近10萬噸。“這是歐洲各國積極推進節(jié)能減排計劃的主要原因。”中汽中心動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究室總監(jiān)方凱正說。
在各國政策的引導(dǎo)下，多家車企加快了發(fā)展電動汽車的步伐。大眾汽車集團表示，至2025年，大眾汽車集團旗下各品牌將推出80款全新的電動車型，銷量也將達到300萬輛。以一輛車安裝50kWh電池計算，這意味著大眾汽車電池需求將達到150GWh。此外，沃爾沃、通用、豐田等汽車企業(yè)都推出了電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略。
另外，去年，第八屆清潔能源部長會議(EVI)發(fā)布了EV30@30運動，為所有EVI成員設(shè)定了2030年實現(xiàn)電動車市場份額達到30%的愿景，屆時電動汽車保有量將有可能達到2.2億輛，其中純電動汽車1.3億輛，插電式混合動力汽車0.9億輛。在市場需求帶動下，動力電池的年需求量也將達到2.1TWh，其中中國將占1/3，歐洲與美國合計占28%，日本占3%。屆時輕型乘用車的電池能量將達到70～80kWh。可見，未來汽車產(chǎn)業(yè)對動力電池的需求量將急劇提升。
目前，在動力電池領(lǐng)域，鋰離子電池已成主流，且隨著技術(shù)的發(fā)展，成本已大幅下降，尤其是電池高鎳化的發(fā)展帶來了金屬鈷用量的進一步下降，這讓鋰電池受鈷價上漲波動影響變小。“采用‘811體系’之后，鋰電池成本已降至190美元/kWh(約合人民幣1295.88元/kWh)，動力電池的成本越來越接近商業(yè)化?！狈絼P正說。
有業(yè)內(nèi)人士向《中國汽車報》記者透露，現(xiàn)在有些中國企業(yè)已將電池成本控制在了1000元/kWh以下，而動力電池的成本只要達到600元/kWh，就可具備與傳統(tǒng)汽車同等的競爭力。
?固態(tài)電池成新競爭點
在鋰離子電池大行其道的當下，鋰離子電池遭遇天花板的觀點也引起廣泛討論，為彌補鋰離子電池技術(shù)不足，另一電池形態(tài)成為行業(yè)新一輪競爭熱點，即固態(tài)電池。目前，固態(tài)電池以安全性高、容量大被行業(yè)看好，成為全球動力電池爭奪的制高點之一。最近一段時間，各國在固態(tài)電池上動作頻頻，紛紛加大了研發(fā)力度。
6月15日，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)宣布，其將與豐田汽車、松下啟動新一代高效電池“全固態(tài)電池”的開發(fā)，力爭2022年前確立技術(shù)。目前日本幾乎舉全產(chǎn)業(yè)之力投入到固態(tài)電池研發(fā)之中，其中包括23家汽車、電池、材料企業(yè)，15家學(xué)術(shù)機構(gòu)，包括京都大學(xué)、日本理化所等全部加入進來，總計投入100億日元。事實上，這是日本的第二期固態(tài)電池研發(fā)項目，早在2017年5月，日本經(jīng)濟省就宣布出資16億日元，聯(lián)合豐田、松下、GS湯淺等國內(nèi)頂級產(chǎn)業(yè)鏈力量，共同研發(fā)固態(tài)電池，希望2030年實現(xiàn)800公里續(xù)駛里程目標。
韓國也不甘落后，目前，三星SDI、LG化學(xué)等都投入到固態(tài)電池的研發(fā)之中。據(jù)外媒報道，三星Note 7手機電池起火嚴重影響了品牌形象，這促使三星加大了固態(tài)電池的研發(fā)力度。據(jù)了解，三星的固態(tài)電池可能最初應(yīng)用于手機上，下一步將開發(fā)車用動力固態(tài)電池。此外，LG化學(xué)也在研究固態(tài)電池，據(jù)稱技術(shù)水平與三星不相上下。
而在德國，大眾汽車集團對固態(tài)電池也極為重視。近日，大眾汽車集團宣布向加州初創(chuàng)公司QuantumScape注資1億美元，用于固態(tài)電池的開發(fā)和量產(chǎn)。據(jù)了解，QuantumScape目前已擁有超過200項固態(tài)電池技術(shù)專利，計劃2025年研發(fā)出可以量產(chǎn)的固態(tài)電池;寶馬汽車也宣布攜手電池技術(shù)公司SolidPower共同研發(fā)全新固態(tài)電池;德國大陸集團前不久表示也在加大固態(tài)電池技術(shù)的投資。
對于固態(tài)電池的研發(fā)，我國也絲毫沒有松懈。2017年四部委印發(fā)的《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》提出，積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態(tài)電池等新體系電池的研究和工程化開發(fā)，2020年單體電池比能量達到400Wh/kg以上、2025年達到500Wh/kg。
目前，國內(nèi)固態(tài)電池技術(shù)的研究已經(jīng)取得不小進步。據(jù)了解，中科院已有五個團隊在不同程度上取得突破。中科院化學(xué)所郭玉國團隊的聚醚-丙烯酸酯新型雙功能聚合物電解質(zhì)，可用于室溫固態(tài)金屬鋰電池;中科院寧波材料所許曉雄團隊研發(fā)的無機陶瓷固態(tài)電池正與贛峰鋰業(yè)合作嘗試產(chǎn)業(yè)化;中科院青島生物能源所崔光磊團隊研發(fā)的固態(tài)電池已用于蛟龍?zhí)柹顫撈?，完成了馬里亞納海溝的測試;中科院上海硅酸鹽研究所郭向欣團隊研發(fā)出了2Ah級固態(tài)鋰離子電池;中科院物理所李泓團隊推出了10Ah軟包電芯固態(tài)電池。
北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司總經(jīng)理助理向晉說：“目前還沒有企業(yè)展示兼具高能量密度、高安全性的大容量全固態(tài)動力電池。就研發(fā)水平而言，日韓處于領(lǐng)先地位，我國僅有少數(shù)企業(yè)擁有核心技術(shù)，競爭日趨激烈?！?/p>
就具體技術(shù)而言，目前，法國Batscap-Bollore公司固態(tài)電池能量密度達到了220Wh/Kg，1500次循環(huán)后容量仍超過96%，電池容量為10～30Ah，已成功應(yīng)用于Autolib四輪小型汽車，保有量達到4000輛;美國Sakti3公司固態(tài)電池產(chǎn)品達到了1000Wh/L，容量為10～50mAh;在日本，豐田的固態(tài)電池達到230Wh/Kg，容量為2.4～15Ah，進入小型平板車試用階段，預(yù)計2022年上市;在我國，中科院寧波材料所的固態(tài)電池處于中試階段。中科院青島所的固態(tài)電池達到297Wh/Kg，容量為10Ah，還處于研發(fā)階段。
向晉說：“無論是聚合物還是硫化物固態(tài)電池，都存在技術(shù)難題，但固態(tài)電池的安全性明顯優(yōu)于鋰電池，通過使用新技術(shù)、新方法解決集流體、側(cè)界面、隔膜/電解液等七大問題，可以確保固態(tài)電池的安全?！?/p>
全球來看，目前固態(tài)電池仍處于研發(fā)階段，離商業(yè)化還有一段距離，在向晉看來，固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化需要滿足多個技術(shù)條件：整個系統(tǒng)僅含5～10個大電芯、電芯電壓達到48～60V、電芯容量達到100～200Ah、系統(tǒng)重量比能量超過300Wh/Kg、系統(tǒng)體積比能量超過500Wh/L、整車續(xù)駛里程超過600公里、系統(tǒng)成本達到0.5～1.0元/Wh等。
?燃料電池仍待技術(shù)突圍
與電動汽車發(fā)展同步推進的還有燃料電池汽車，近年來，我國加快了燃料電池汽車的發(fā)展步伐，并提供了一系列政策支持。在這一過程中，燃料電池的研發(fā)也是備受關(guān)注。
在國家政策的支持下，多次承擔(dān)國家燃料電池重大項目的大連新源動力股份有限公司已經(jīng)取得不少成果，該公司副總工程師邢丹敏介紹，新源公司已研發(fā)成功第二代系統(tǒng)FCS200，功率為30～60kW，工作溫度為-10～70℃，工作壽命為5000小時;正在研發(fā)的第三代系統(tǒng)FCS300，功率達到80～100kW，工作溫度為-30～70℃，工作壽命為5000小時。
另外，新源公司的電堆門類較齊全，成品涉及乘用車、商用車電堆領(lǐng)域。最新研制的MOD400電堆，采用金屬雙極工藝，有效解決了高低電流密度區(qū)的水平衡問題，伏安性能與日本豐田Mirai電堆接近。在耐久性方面，新源公司也掌握了自己的一套方法，從最初的1000小時，到現(xiàn)在突破5000小時，下一步還將爭取達到1萬小時。邢丹敏說：“燃料電池汽車的示范運行是‘十一五’時期的主要目標，‘十三五’時期的指標更加細致。60kW車用燃料電堆功率密度將達到2.0kW/L，壽命達到5000小時，低溫啟動在-20℃左右;100kW的車用燃料電堆功率密度將達到3.1kW/L，壽命長達5000小時，低溫啟動在-30℃左右?！?/p>
不過，不得不承認的是，目前，我國燃料電池與國際先進水平還有一定差距，輸出功率方面，國內(nèi)水平是60kW，國際水平為110kW;電流密度方面，國內(nèi)是2.0kW/L，國際則是大于3.0kW/L;金屬鉑(Pt)用量上，國內(nèi)是0.4g/kW，國際是0.2g/kW;其他方面，國內(nèi)水平與國際先進水平齊頭并進。