動力電池要求來了，300Wh/kg比能量目標(biāo)如何實現(xiàn)

3月1日，四部委印發(fā)了《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》通知，明確指出了當(dāng)前動力電池存在的不足和今后的發(fā)展方向。通知中將提高電池比能量作為今后的重點發(fā)展目標(biāo)之一，關(guān)鍵指標(biāo)和時間節(jié)點如下：

1. 到2020年，鋰離子動力電池單體比能量〉300Wh/kg；系統(tǒng)比能量爭取達到260Wh/kg；成本《1元/瓦時；使用環(huán)境達-30℃到55℃；具備3C充電能力

2. 到2025年，單體比能量達500Wh/kg

3. 力爭實現(xiàn)單體電池350Wh/kg、系統(tǒng)260Wh/kg的鋰離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和整車應(yīng)用

4. 新型動力電池方面，積極推進鋰硫電池、金屬空氣電池、固態(tài)電池的研究和工程化開發(fā)，2020年單體比能量》400Wh/kg、2025年達到500Wh/k

從指標(biāo)的文字描述中可以看到：第1項指標(biāo)是要求在鋰離子電池體系下實現(xiàn)的，第3項指標(biāo)應(yīng)該是在鋰離子電池體系下再往前沖一沖，所以提出了“力爭實現(xiàn)”。至于第2、4項指標(biāo)，鋰離子電池體系估計無能為力了，必須要開發(fā)新的電池體系。

盡管鋰硫電池、金屬空氣電池、固態(tài)電池的研究歷史已經(jīng)很長，但是其技術(shù)進步還是比較緩慢。如今各種交叉學(xué)科發(fā)展已經(jīng)有了較大進步，這將有助于繼續(xù)開發(fā)這些電池體系，期待能有突破。

經(jīng)?？吹胶芏嗝襟w報道把“比能量”和“能量密度”混淆了。通常，使用“比能量”來描述單位質(zhì)量的能量水平（Wh/kg），用“能量密度”來描述單位體積的能量水平（Wh/L）。

這里我們來主要看一下在鋰離子電池體系下的比能量發(fā)展途徑。

· 鋰離子電池單體比能量

2016年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提到了純電動汽車動力電池的比能量目標(biāo)是2020年350Wh/kg， 2025年是400Wh/kg， 2030年是500Wh/kg。該目標(biāo)與四部委提出的指標(biāo)很接近，也在業(yè)內(nèi)引發(fā)了熱議。我們梳理一下2016年媒體報道的各大電池企業(yè)的比能量目標(biāo)和實現(xiàn)路徑：

· 比亞迪：三元電池希望在2018年做到240Wh/kg，2020年大概做到300Wh/kg。正極采用高鎳三元材料，負(fù)極采用氧化亞硅或納米硅，

· 寧德時代：2016年可以做到200-250Wh/kg，“十三五”期間希望實現(xiàn)350Wh/kg目標(biāo)，材料體系為高鎳三元/硅碳材料

· 國軒高科：2020年目標(biāo)是300-350Wh/kg，采用高鎳三元正極材料，硅基負(fù)極材料，5V高電壓電解液

· 比克：18650圓柱第四代產(chǎn)品（3.0Ah）普遍可以達到220-230Wh/kg，2017年第五代產(chǎn)品（3.6Ah）的比能量預(yù)計可以達到250Wh/kg。比克是較早鎖定三元材料路線的企業(yè)。

· 力神：正在開發(fā)200-250Wh/kg的產(chǎn)品，圓柱電池已經(jīng)可以達到250Wh/kg，2020年爭取達到300Wh/kg，采用第三代富鋰錳基層狀材料和硅負(fù)極材料

· 三星SDI：2016年水平為250Wh/kg，預(yù)計2030年達到350Wh/kg（可能采用了其他電池體系了）

值得注意的是，寧德時代、天津力神、國軒高科三家電池企業(yè)在2016年還入圍了科技部重點專項，該項目的考核指標(biāo)為：

· 動力電池新材料新體系（基礎(chǔ)前沿類）：考核指標(biāo)：新型鋰離子電池樣品能量密度≥400Wh/kg，新體系電池樣品能量密度≥500Wh/kg

· 高比能量鋰離子電池技術(shù)（重大共性關(guān)鍵技術(shù)類）：考核指標(biāo)：電池單體能量密度≥300Wh/kg，循環(huán)壽命≥1500次，成本≤0.8元/Wh，安全性等達到國標(biāo)要求；年生產(chǎn)能力≥2億瓦時，產(chǎn)品累計銷售≥3000萬瓦時或裝車數(shù)量≥1000套。

這些重點專項的考核指標(biāo)還對循環(huán)壽命、安全性能、甚至銷量和產(chǎn)能提出了要求，這對入圍的電池企業(yè)也是不小的考驗。

從所有公開的信息可以看到，中國各大電池企業(yè)實現(xiàn)300Wh/kg的技術(shù)路線可以歸納為：

· 正極材料：高鎳三元，或者富鋰錳基

· 負(fù)極材料：硅基材料

· 電解液：高壓電解液

· 隔膜：目前還是PP、PE為主，外加陶瓷涂層

下表是2015年歐洲-日本技術(shù)研討會上展示的一組數(shù)據(jù)，描述了在鋰離子電池體系下，實現(xiàn)不同比能量水平可采用的材料體系?？梢钥吹?，其實在材料體系的選擇上，各國的情況都比較類似。

下面我們看一下日本電池企業(yè)的情況。在日本NEDO（New Energy and Industrial technology Development Organization of Japan）的牽頭下，日本電池企業(yè)都積極參與了高能量電池的研究和投入。例如，我們看一組2016年日立Hitachi的數(shù)據(jù)：

· 正極材料：高鎳層狀三元

· 正極電極：335g/m^2，3.0g/cm^3

· 負(fù)極材料：硅合金和石墨的復(fù)合材料，容量比1：1

· 負(fù)極電極：2.1g/cm^3

· 電池容量：30Ah，軟包電池

· 充電上限電壓：4.2 或4.4V

· 放電下限電壓：2.0V

· 電流：C/20，或C/3

圖1是其測試數(shù)據(jù)。我們可以看到，充電電壓為4.2V、電流為C/20（Cell-4.2）時，比能量為290Wh/kg；充電電壓為4.4V、電流為C /20（Cell-4.4）時，比能量為335Wh/kg。同時，Hitachi也指出，雖然初始比能量很高，但是在經(jīng)過100次循環(huán)之后，容量衰減極大。估計這種情況也是現(xiàn)在很多電池企業(yè)正在頭疼的問題：比能量指標(biāo)實現(xiàn)了，但其他性能還不行。

圖1 Hitachi 30Ah電池數(shù)據(jù)

綜合來看， 單純實現(xiàn)300Wh/kg的目標(biāo)在2020年基本是可行的。問題是：實現(xiàn)了這個目標(biāo)是否就表示能用在電動汽車上呢？答案肯定是否定的。汽車動力電池是一個系統(tǒng)工程，滿足比能量要求只是條件之一，其他性能（充放電倍率、功率、壽命、安全性等）也是至關(guān)重要的。在實現(xiàn)高比能量的目標(biāo)的基礎(chǔ)上，綜合發(fā)展、提高其他各項性能指標(biāo)，還需要投入更多的時間和精力。

參考

Development for 300Wh/kg-Class High Energy Li-Ion Battery for EV. Research and Development Group， Hitachi， Ltd.

Europe-Japan Symposium. Electrical Technologies for the Aviation of the Future， 26-27 March 2015

作者：129Lab