動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新活躍,熱安全解決途徑走在世界前列

“（如果說有動(dòng)力電池）能跑1000公里，又能幾分鐘充完電，而且還特別安全、成本還非常低，大家不用相信，因?yàn)檫@在目前是不可能同時(shí)達(dá)到的?！?/p>

中國科學(xué)院院士歐陽明高在中國電動(dòng)汽車百人會論壇（2021）云論壇上說道。 在歐陽明高看來，近些年動(dòng)力電池材料領(lǐng)域創(chuàng)新并沒有大幅提升，電池企業(yè)的創(chuàng)新主要集中的結(jié)構(gòu)層面，當(dāng)然在改善低溫性能及熱失控方面也有諸多新技術(shù)。 燃料電池近年來也取得了產(chǎn)業(yè)化突破，未來10年左右燃料電池系統(tǒng)成本有望下降80％。 儲能方面，電池是中小功率短周期，大規(guī)模長周期要靠氫。 此外，歐陽明高還指出，商業(yè)目的運(yùn)營車輛適合換電，私人乘用車長期來看，還會以充電為主。

1 動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新活躍

在歐陽明高看來，近年來，由于安全問題的限制，三元電池比能量沒有大幅增長。因此，行業(yè)轉(zhuǎn)向電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

（1）動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

電池結(jié)構(gòu)從355模組和590模組，進(jìn)一步到寧德時(shí)代的 CTP（無模組）、比亞迪的刀片電池，以及近期國軒高科JTM（Jellyroll To Module，即從卷芯到模組）其系統(tǒng)比能量和體積存儲效率都有明顯提升，使得原先磷酸鐵鋰電池難以應(yīng)用到轎車上的問題基本得到解決，甚至可以做到600公里。

歐陽明高認(rèn)為，進(jìn)一步發(fā)展，可能還有電池包直接在車輛上（刀片電池）或者單體直接到車輛上，都有待進(jìn)一步研究，創(chuàng)新潛力還比較大。

（2）改善低溫續(xù)航創(chuàng)新多

電芯在低溫下的性能明顯下降，同時(shí)制熱比制冷能耗更大、動(dòng)力系統(tǒng)效率降低、soc精度下降等問題，導(dǎo)致電動(dòng)汽車用戶在冬季用車體驗(yàn)明顯變差。

為了解決電動(dòng)汽車低溫帶來的負(fù)面問題，企業(yè)做了一系列技術(shù)優(yōu)化，包括電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的能效優(yōu)化、改善熱泵空調(diào)低溫下的效能、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的能效優(yōu)化，包括 PTC加熱、熱泵空調(diào)、電機(jī)激勵(lì)加熱等。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的能效優(yōu)化方面，歐陽明高認(rèn)為，目前PTC加熱需要進(jìn)一步改進(jìn)，云端控制提前預(yù)熱。

熱泵空調(diào)在低溫下的效能方面，歐陽明高也認(rèn)為需要進(jìn)一步增強(qiáng)，例如通過補(bǔ)氣增焓，提升低溫效能。

電機(jī)激勵(lì)加熱方面是一個(gè)很好的方案，但歐陽明高認(rèn)為其噪聲較大，加熱速率每分鐘3°C度也不算高。“現(xiàn)在有改進(jìn)技術(shù)，可以使得加熱速度提高到每分鐘8°C?！?/p>

第三個(gè)是充電場景下電池的插槍保溫和脈沖加熱。歐陽明高解釋道，目前大家回家充電才插槍，充完電就拔掉，但是后續(xù)為了有序充電，插槍并不一定充電，是到后半夜才充電。

另外還有車與電網(wǎng)互動(dòng)（V2G），往電網(wǎng)回饋電，就是反向充電，這些都要求充電樁一直跟車保持相連，這就為插槍保溫帶來方便，也就出車之前提前半小時(shí)用電網(wǎng)電對車加熱。

此外具備雙向充電功能的快充樁，可以對電池進(jìn)行脈沖加熱。這方面技術(shù)創(chuàng)新是活躍，低溫續(xù)航縮水問題會逐步得到緩解。

（3）熱安全解決途徑走在世界前列

在歐陽明高看來，動(dòng)力電池的熱安全問題雖然還沒有徹底解決，但是在一定程度上得到抑制。總體看，中國動(dòng)力電池安全問題研究早，相關(guān)科學(xué)和技術(shù)是走在世界前列。

動(dòng)力電池安全主要分為三個(gè)層面：本征安全、被動(dòng)安全和主動(dòng)安全。

所謂本征安全就從單體電池的熱失控機(jī)理著手，從材料層設(shè)計(jì)和制造的角度加以解決。

所謂被動(dòng)安全在某一個(gè)單體電池?zé)崾Э刂?，用系統(tǒng)熱管理的辦法，也就是隔熱和散熱的辦法，讓電池包不燃燒。

“現(xiàn)在法規(guī)要求是5分鐘不起火，將來會提升到半小時(shí)，現(xiàn)在中國已經(jīng)領(lǐng)先企業(yè)發(fā)布了不燃燒的電池包，這也是我們重要技術(shù)進(jìn)展。”

歐陽明高提到，主動(dòng)安全中智能管理與充電控制也很重要，例如利用云平臺、大數(shù)據(jù)進(jìn)行提前預(yù)警，這是整車企業(yè)必須要練就的核心技術(shù)，“目前領(lǐng)先的廠家，已經(jīng)完全可以做到，現(xiàn)在正在推廣普及中?！?/p>

歐陽明高特別指出，不要指望換一種新電池后所有的安全就徹底解決，安全都是相對的，都是由安全技術(shù)保障的。

2 燃料電池獲得產(chǎn)業(yè)化突破

（1）功率密度、冷啟動(dòng)溫度、壽命等都大幅改善

近年來，燃料電池技術(shù)取得重大突破。例如，現(xiàn)在的性能跟5年前相比，壽命提升了300％。國產(chǎn)燃料電池零部件的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)建立，系統(tǒng)集成能力大幅增強(qiáng)，頭部企業(yè)正在形成。

（2）十年內(nèi)燃料電池系統(tǒng)成本下降80％以上

下一步的工作重點(diǎn)，是要在10年內(nèi)，將燃料電池系統(tǒng)的成本下降80％以上。路徑類似于鋰離子電池，整體滯后10年。

歐陽明高指出，目標(biāo)是將燃料電池系統(tǒng)成本從2020年的5000元／千瓦，下降到2030年600元／千瓦。

另外，很重要的一個(gè)就是車載儲氫的成本。歐陽明高預(yù)測，儲氫成本預(yù)計(jì)會比燃料電池下降得慢一些?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)塑料內(nèi)膽碳纖維纏繞的700大氣壓車載高壓儲氫瓶，目前成本很高，預(yù)計(jì)到2025年儲氫瓶成本3000元／公斤。

根據(jù)氫能燃料電池的技術(shù)路線圖。2025年目標(biāo)是推廣5－10萬氫燃料電池車；2030－2035年實(shí)現(xiàn)80－100萬輛應(yīng)用規(guī)模，這都是以商用車為主體。

歐陽明高表示，在這個(gè)情況下，氫需求量到2030年大概300萬噸左右，這個(gè)可能比之前預(yù)期的低一些。如果主要是轎車，幾十萬噸就夠了。

不過，加氫站的數(shù)量可能比之前的預(yù)測的要多一些?！耙?yàn)榧託湫时燃犹烊粴庖?，氫是最輕的一種氣體，只是天然氣密度的1／8?！?/p>

歐陽明高認(rèn)為，當(dāng)前氫燃料電池汽車發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，比如說氫燃料產(chǎn)業(yè)鏈自主化程度與技術(shù)水平和燃料電池還有差距，電解綠氫技術(shù)、氫儲運(yùn)技術(shù)、氫安全技術(shù)還需要改進(jìn)提升，氫燃料的成本總體偏高，這是今后5－10年必須努力解決的。

3 光儲充換多能互補(bǔ)

要打造可再生能源提供為主的能源體系，必須要有儲能。 歐陽明高認(rèn)為，短期儲能可以依靠電池，長期儲能必須要靠氫。所以兩者組合才能構(gòu)成一個(gè)完善的儲能系統(tǒng)。

（1）鋰電池短期儲能潛力巨大

現(xiàn)在受到電動(dòng)汽車市場拉動(dòng)，動(dòng)力電池需求大幅上升。樂觀估計(jì)，2025年中國電池的產(chǎn)能就會達(dá)到年產(chǎn)10億千瓦時(shí)，成本會持續(xù)的下降，以鋰離子電池為代表的動(dòng)力電池正在成為分布式短周期小規(guī)?？稍偕茉磧Υ娴淖罴堰x擇。 “如果我們有一億輛電動(dòng)汽車，那么車上的電池就是50億度，儲能潛力巨大。但同時(shí)我們要看到充電的功率巨大，但耗電量并不是很大，這是我們要注意的特征?！?/p>

歐陽明高舉了一個(gè)極端的例子，如果中國3億輛乘用車全部改成純電動(dòng)，每輛車平均65度電，車載儲能的容量200億千瓦時(shí)，與我們中國每天消費(fèi)的總電量是相當(dāng)?shù)摹?如果10％的電動(dòng)車按照50千瓦的中等速率同時(shí)充電，那么3億輛車的充電總功率就是15億千瓦，與全國電網(wǎng)總裝機(jī)的功率相當(dāng)。也就是說，電力系統(tǒng)功率全都要給電動(dòng)車充電了，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。 “如果按平均每輛轎車年行駛兩萬公里，三億輛車每天消費(fèi)電量大約是20億千瓦時(shí)，占比總消費(fèi)量10％，這是完全可以接受的?！?/p>

大規(guī)模電動(dòng)汽車推廣的優(yōu)點(diǎn)是儲能潛力巨大，問題是充電功率也巨大。歐陽明高認(rèn)為，要趨利避害，首先利用儲能潛力來抑制電網(wǎng)的波動(dòng)。所以必須通過有序充電、車與電網(wǎng)雙向充電、儲能放電、換電池和充換電一體化等智能充電方式將充電功率大幅收窄。

歐陽明高認(rèn)為，對于商業(yè)目的的乘用車，如共享車、出租車，換電是不錯(cuò)的商業(yè)模式。不過換電最佳使用場景可能還是電動(dòng)中重卡。

這種中重卡可以使用充換一體化快速能源補(bǔ)給站，轎車超級快充、中重卡快速換電，兩者合建。重卡的電池容量大大超過轎車，換電的備用電池包可以給轎車放電，提供快充，形成互補(bǔ)。最終的形態(tài)將是“光－儲－充－換”多能互補(bǔ)的微網(wǎng)系統(tǒng)。

歐陽明高認(rèn)為卡車換電從經(jīng)濟(jì)賬來看完全可以算過來。

例如高速公路的中重卡，只需三五分鐘，車電分離、電池租賃，電池由電池銀行持有，大的電池銀行電池用電量大，負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)，可以在電力交易中拿到低電價(jià)。同時(shí)大量的購買電池也可以壓低電池價(jià)格。另外全生命周期管理電池，可以使電池壽命增長、梯次利用。

不過，高速公路長途必須要有超快補(bǔ)電的措施。去年，中日兩國合作制定的大功率快充新標(biāo)準(zhǔn)——超級充電標(biāo)準(zhǔn)，中電聯(lián)預(yù)計(jì)2025年可以全面提供超充服務(wù)。

歐陽明高支持，根據(jù)他團(tuán)隊(duì)的研究表明，對一個(gè)續(xù)航里程600公里的車5分鐘應(yīng)急補(bǔ)電充200公里（也就是電量增加1／3）是完全可行的。

對于私家乘用車，歐陽明高還是看好充電，他認(rèn)為基于車網(wǎng)融合和大功率快充技術(shù)的發(fā)展前景以及電池底盤一體化設(shè)計(jì)趨勢，充電更劃算。

（2）長期儲能，儲氫最佳

當(dāng)然，集中式可再生能源大規(guī)模長周期存儲，儲氫是最佳途徑。

對此，歐陽明高給出了四個(gè)理由。

第一，能源利用的充分性。氫能大容量、長周期儲能模式對可再生電力的利用更充分。有些電力電池儲不了，例如四川的季節(jié)性水電，只有氫能儲得了。所以說制氫的電價(jià)比充電的電價(jià)便宜是有可能的。

第二，規(guī)模儲能的經(jīng)濟(jì)性氫能比電池好，車下固定儲氫大概比儲電成本上大約要低一個(gè)數(shù)量級。

第三，與電網(wǎng)基礎(chǔ)發(fā)電電源的互補(bǔ)性。氫能可作為大容量、長周期、高功率靈活能源使用，如用于燃料電池發(fā)電，或者用于大型氫燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電。大電網(wǎng)不可能全是風(fēng)電、光伏。

第四，氫的制、儲、運(yùn)方式靈活。我國的大規(guī)模集中式可再生能源基地在新疆、內(nèi)蒙、寧夏等西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地方的氫能需要千公里以上長途輸運(yùn)。同時(shí)綠氫的輸送通道和特高壓電輸送通道是重合的，發(fā)揮超高壓輸電的中國優(yōu)勢，開展長途輸電當(dāng)?shù)刂茪湟彩且环N選擇。這兩類方式從儲能角度沒什么太大差別，關(guān)鍵是誰的經(jīng)濟(jì)性更好。

歐陽明高分析認(rèn)為，比較發(fā)現(xiàn)長途輸電當(dāng)?shù)刂茪浞桨缚傮w看是有一定優(yōu)勢的。按電力專家介紹的特高壓千公里輸電成本為8分錢／度電為基準(zhǔn)計(jì)算，當(dāng)可再生能源發(fā)電在0．1元／千瓦時(shí)左右時(shí)，可以大致實(shí)現(xiàn)加氫槍出口價(jià)格30元／kg左右的目標(biāo)，與柴油比具有價(jià)格競爭力。這樣一來就形成一種中國特色的長途輸氫方案，而且利用了我國的能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢。

最后，歐陽明高展望了未來十年交通智慧能源生態(tài)，他認(rèn)為大概會有有兩個(gè)組合：一個(gè)黃金組合，就是分布式光伏＋電池＋電動(dòng)汽車＋物聯(lián)網(wǎng)＋區(qū)塊鏈；還有一個(gè)白銀組合，集中式的遠(yuǎn)距離的風(fēng)電與光伏＋氫能儲能及發(fā)電＋燃料電池汽車＋物聯(lián)網(wǎng)＋區(qū)塊鏈。

一個(gè)是分布式的智慧能源，一個(gè)集中式智慧能源，兩者結(jié)合，共同構(gòu)成面向碳中和的未來智慧能源大系統(tǒng)。

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