宽温动力电池的发展现状与趋势及相关政策*

2018-03-20佟丽珠蔡文博候丽春

制造技术与机床 2018年2期

佟丽珠蔡文博候丽春

(长春市汽车工业高等专科学校，吉林长春 130013)

近年来，我国新能源汽车产业高速发展，绿色出行理念正在广泛深入人心，一个全新的产业体系和消费观念，逐步改变着汽车行业的发展格局。但是适应高寒环境的新能源汽车产业发展缓慢，严重制约了广大高寒地区的应用普及[1]。客观的实际情况是，能够在南方地区正常使用并且性能优越的电动汽车，大多数在高寒气候环境下几乎无法启动，即使能够行驶，续驶里程也会大打折扣，原因在于电动汽车的动力蓄电池受环境温度影响较大。我国高纬高寒地区，全年结冰期达200天以上，全年气温低于零下30 ℃的严寒天气有30多天。高寒地区对电动汽车有着极大的市场需求，为了确保电动汽车在高寒气候环境下能够正常充电、启动和行驶，并且能够达到一定的续驶里程，就要对电动汽车的动力蓄电池在高寒环境下的性能提出更高的要求。现行国家标准主要针对-20 ℃～55 ℃温度范围内的动力蓄电池性能指标进行了规范要求(GB/T 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池性能要求及试验方法)。

众所周知锂离子电池对于温度相对敏感，温度可以说是电动汽车锂电池的杀手。一般锂电池的工作温度范围集中在-20 ℃～200 ℃之间。不同材料锂电池的低温性能也有区别，目前国内应用最为普遍的磷酸铁锂电池，其高温性能比较好，但是对于低温则缺乏忍受力。对于一些品质较好的产品，在-20 ℃时也只能释放出80%的电能，而低于-40 ℃，则往往会导致电池被“冻伤”，出现内部材料结晶的不可逆损坏。相对来说，锰酸锂、钴酸锂和三元产品的低温性能要好一些，但是也有限；而高温性能就不尽人意。现在业内说磷酸铁锂安全性能高，高温性能好，其实是没有锰酸锂、钴酸锂和三元电池的电池活性高，相对安全一些。整体性能还是不如锰锂或三元电池。众所周知三元材料电池优点是：能量密度高、放电电压高，致命性缺点是安全性差；三元锂材料在200 ℃左右会发生分解，三元锂材料的化学反应更加剧烈，会释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，发生连锁反应，导致爆炸。所以目前动力电池生产厂家也在不断改进三元锂材料电池。

如图1所示，从电池的应用层面来看，乘用车、客车和专用车的比例与电池比例类似，目前客车使用的电池还是以磷酸铁锂为主。磷酸铁锂技术成熟、安全性较高，循环寿命长，致命性缺点是低温性能差；一块容量为3 500 mAh的电池，在-20 ℃的环境中工作，经过不到100次的充放电循环，电量将急剧衰减至2 000 mAh。通常液态锂离子电池极限能量密度为300 Wh/kg，且易燃易爆炸。而全固态锂电池刚刚起步未来发展空间巨大，且不燃不爆炸。固态锂电池是一种使用固态电解质的电池。在构造上，固态锂电池比传统锂离子电池简单[2]。固态电解质除传导锂离子，也充当了隔膜的角色。因此，在固态锂电池中，电解液、隔膜与粘结剂PVDF等都不需要使用。工作原理上，固态锂电池和锂离子电池相通，充电时，正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固体电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。放电过程与充电过程相反，此时电子通过外电路驱动电子器件。由于固态锂离子的诸多优势，因此国内外研究机构和电池厂家都在积极的研究发展这种电池。以下是国内外固态锂电池的现状。

1 国外固态锂电池现状

进入2017年后，国内外企业加速固态电池商业化布局。意味着，2018年将有更多的企业进入该领域，而商业化进程将有更清晰的时刻表。如图2所示美国SEEO.公司研发了全固态锂电池产品，该产品已经被被德国博世集团收购。这种固态锂离子电池由两层电解液组成:一层是锂离子导体层,另一层是用作电极之间的物理屏障,防止形成锂枝晶，它的循环寿命> 1 000次充放电循环。这种新型电池能量密度可达到350 Wh/kg，大约是目前电动车所使用电池的两倍,并且十分安全[3]。这项技术对于提升电池的续驶里程和轻量化都有显著效果。

图3是日本开发出全固态锂电池实验室产品。这个固态电池原型，主要是由4层10 cm×10 cm大小的片状结构所组成，正负极与电池本体材质的成分由钴酸锂、石墨与硫化物所组成，平均电压为14.4 V，没有液态类物质，在温度高达100 ℃状态下依然可以正常使用。但这里还有个导电效率的问题，就是在制造过程中所产生的化学反应会让电极与电池表面产生较大的阻抗。丰田为了解决此问题，在正极与电池表面使用了一种陶瓷类材料的镀层，可减小99%的阻抗。这种丰田全固态电池电动车计划2022年量产上市。

2 中国全固态锂电池的发展

我国固态锂离子电池产业发展历史不长，但发展很快(图4)。2013年中科院设立了全固态锂电池先导计划。提出要做长续航的动力电池，通过提升能量密度来延长电动汽车的续驶里程。中科院宁波材料所、中科院上海硅酸盐所、青能所、天津十八所、清华大学、中科大、复旦大学、国防科大、武汉大学、东北师范大学等机构纷纷开展各种全固态锂电池研究。目前中国科学院正在追求提高全固态金属锂的安全性，并对逐渐增加固体电解质和负极中的锂含量这方面做进一步的开发，力图兼顾全固态锂电池的优点和液态锂电池的优点，希望能够取长补短，逐步改善现有电池的技术[4]。中国长春劲能科技集团股份有限公司与全球唯一一家实现全固态锂离子电池产业化的加拿大魁北克水电研究院合作并成立“全固态锂电池亚洲研究院”，为全固态锂电池在中国产业化应用提供技术保证。他们生产的全固态锂电池的优势如图5所示，采用固体电解质无隔膜结构，国际公认的高度安全性，能量密度可以达到250 Wh/kg,装车里程500 km。

图6是长春劲能科技集团股份有限公司生产的固态锂电池技术参数，分别对质量比能量密度、充放电倍率、循环寿命、最小单元、投资规模、适宜温度范围进行了说明。可以看到劲能集团生产的全固态锂电池，有高比能量密度 250 Wh/kg，是传统锂电池的两倍，一次充电可行驶600 km，在不改变传统汽车的驾驶习惯的前提下，让新能源汽车在中国的普及成为了可能。劲能集团通过对电池材料的技术改良，解决了新能源汽车低温运行的世界难题，现有新能源汽车只能在中国南方地区使用，在北方地区一到冬天，电池性能降低50%以上，造成汽车无法启动和续驶里程大幅缩减，无法正常使用。劲能集团动力电池无需加热模块可在-40 ℃安全稳定行驶，常温能量比可维持90%以上。

为了推动我国新能源汽车在高寒地区的发展普及，早在2016年9月动力电池国家地方联合工程实验室作为共同主办单位，举办了“高寒地区新能源车产业发展高层论坛”，成立了“高寒地区新能源汽车产业联盟”，举办我国首个以推动高寒地区新能源汽车产业发展的高层论坛及相关活动，共同拉开了北方高寒地区新能源汽车产业快速发展的序幕。并于2017年10月发布了我国高寒地区纯电动汽车用动力蓄电池性能标准的T/GHDD 1003-2017。在此标准中，主要补充制定了纯电动汽车用动力蓄电池在-20 ℃、-30 ℃和-40 ℃温度下的充放电性能指标。本标准的环境条件除另有规定外，试验应在指定摄氏温度±2 ℃、相对湿度 5%～90%、大气压力 86～106 kPa 环境。测量仪器、仪表准确度要求如下：电压测量装置不低于 0.5 级；电流测量装置不低于 0.5 级；温度测量装置±0.5 ℃；时间测量装置准确度为±0.1%。本标准所提到的室温，是指 25±2 ℃[5]。

3 动力电池产业未来发展趋势

各国政府纷纷提出了下一代锂电池的研发目标。如图7所示，到2020年，多数研发目标对于量产电芯确定的目标是250～300 Wh/kg，将通过第三代锂离子电池完成。中国、美国、日本政府提出希望在2020年展示能量密度达到400～500 Wh/kg的原型器件，在2025-2030年实现量产。计算表明，采用金属锂负极的半固态、固态、全固态的锂硫、锂空电池有望实现高能量密度电池的目标[6]。

表1是我国《动力电池和电池管理系统》2017指南。表中以液态锂离子电池、高比容锂硫电池和高比容固态锂电池为例，就单体电池容量密度，循环寿命，安全性3个方面列出考核标准。

表1 我国《动力电池和电池管理系统》2017指南

考核标准液态锂离子电池高比容锂硫电池高比容固态锂电池单体电池容量密度≫300Wh/kg≫400Wh/kg宽温≫300Wh/kg循环寿命≫10000次100%DOD≫500次100%D0D≫2000次03C以上倍率先放电100%D0D安全性国际要求实现装车考核，提交安全性质评价标准(国内际)提案国际要求提交安全性评价标准(国内或国际)提案国际要求实现装车考核，提交安全性评价标准(国内或国际)提案

动力电池产业未来发展路线如图8所示，液态锂离子电池的循环性目前可达万次，并且预锂化技术也逐渐成熟，但安全性仍是液态电池的一大弊端。未来的3～5年，首先能够规模化生产的有可能是介于液态锂电池和固态锂电池之间的电池类型，如半固态、固态锂电池、正极一侧含少量液体，负极一侧含少量金属锂，此类电芯的能量密度可达300～400 Wh/kg。着重需要关注的前沿问题，锂负极的保护，电极与电解液界面、及电池结构设计等方面。随着循环性、安全性及综合指标的提升，逐渐减少液体电解质比例，最终过渡到全固态锂电池上。

4 我国动力电池发展相关配套政策

动力电池是新能源汽车的心脏。国家相关部门对动力电池的发展十分重视，据不完全统计，2016年至今，涉及到动力电池的重要政策超过十项，涵盖新能源汽车推广应用、动力电池行业规。2017年补贴新政对动力电池能量密度提出了要求，对于动力电池行业发展的影响是显而易见的。从今年已发布的三批新能源汽车推广应用推荐车型目录看，动力电池的能量密度正在逐步提升。此外，推荐目录中优质动力电池企业配套的车型数量有明显增多趋势，这也意味着动力电池市场格局正在发生变化，行业集中度正在增强[7]。

2016年12月，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》。规划中关于动力电池领域的主要内容有：建设具有全球竞争力的动力电池产业链。大力推进动力电池技术研发，着力突破电池成组和系统集成技术，超前布局研发下一代动力电池和新体系动力电池，实现电池材料技术突破性发展。加快推进高性能、高可靠性动力电池生产、控制和检测设备创新，提升动力电池工程化和产业化能力。培育发展一批具有持续创新能力的动力电池企业和关键材料龙头企业。推进动力电池梯次利用，建立上下游企业联动的动力电池回收利用体系。到2020年，动力电池技术水平与国际水平同步，产能规模保持全球领先。