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文/ 高萍萍
根据国家“ 十三五”规划,到2020 年我国动力锂电池要达到300~350 wh/kg 的能量密度,而按照目前国内企业现有的技术水平,要在不到4 年的时间里完成规划的目标显得非常紧迫.尽管该规划是针对新能源电动汽车的锂电池,但对电动自行车同样适用.一旦新能源纯电动汽车大量采用成本较低的能量密度相对较高的锂电池,无疑将对电动自行车转型与升级带来巨大的推动作用.电动自行车要实现“轻、精、巧、高、智”,动力电池必须要采用能量密度高的锂电池.
那么,如何提升锂电池的能量密度? 笔者认为,通过改变锂电池的正负极材料、隔膜等原材料体系是最佳的途径.为提升能量密度、把握好技术路线,进而在未来激烈竞争中占据技术优势,不少动力电池企业作了充分的规划与技术储备.截至目前,这些企业技术储备程度如何,离产业化和商业化距离还有多远？在此,笔者作一简略的介绍.
一、高压实磷酸铁锂材料电池
自2016 年11 月份开始,动力锂电池企业开始大规模缩减磷酸铁锂电池产能.这种现象的出现与国家对新能源汽车补贴新政有直接的关联.
新政补贴方案以电池系统能量密度的高低为补贴的依据.尽管目前不少电池企业的磷酸铁锂单体电芯能量密度可以做到120~140 wh/kg,但成组后的电池系统能量密度大多不超过100 wh/kg.这意味着已经申报的大部分车型只能获最低档补贴标准,从而严重削弱了车企发展纯电动客车的积极性.
在此情况之下,为配合车企拿到尽可能多的补贴,动力锂电池企业只能停止生产现有能量密度低的产品,在短期内通过制造工艺升级、优化PACK 方案等提升电池系统的能量密度,同时要求正极材料企业研发更高性能的磷酸铁锂材料.这主要是指高压实磷酸铁锂材料的研发.但现实是,从产品经过测试再到批量生产,进入到电池厂供应链,需要有较长时间的等待.
二、高镍三元材料电池
随着三元电池的安全性逐步得到验证,加之消费市场对于续航里程的需求提升,国家政策又倾向扶持高能量密度的动力电池,在能量密度上具有显著优势的高镍三元材料电池已被业界普遍看好,目前成为众多动力锂电池企业的研究热点.
不过,虽然国内大型动力电池企业都将高镍三元材料电池作为下一代动力锂电池的研发目标,但目前仍处于研发测试阶段,还未进入批量化生产,离大规模产业化尚存距离.
业内人士指出,高镍三元材料电池的安全性受正极材料制备、制造环境、生产设备、电芯制造工艺等多重因素的影响.其中,高镍三元正极材料的不成熟和高镍三元电池制造工艺技术尚未突破是阻碍其产业化的主要原因.
三、固态电池
中国工程院陈立泉院士非常看好全固态电池,认为全固态电池是我国实现领跑的难得机遇.在他看来,新能源电动车产业中长期发展需要进行技术储备,而固态电池有望成为中国下一代车用动力电池主导的技术路线.
陈立泉院士的观点得到了业内人士的支持.一位动力电池企业的董事长介绍：现有的材料体系已经无法达到国家对新能源产业规划的指标(2020 年的纯电动汽车动力电池的能量密度目标为300~350 wh/kg；2025 年目标为400wh/kg；2030 年目标为500 wh/kg),而固态电池有可能成为新能源汽车下一代动力电池的技术发展路线.
事实上,一大批国内外领军企业已经开始做固态电池的储备研发,也不乏一些国内的初创公司,针对聚合物固态锂金属电池、氧化物锂金属固态电池、硫化物固态电池等新型电池进行研究.
不过,全固态电池尚处在研发早期,主要存在两个问题：一是固态电解质在室温条件下的离子电导率不高；二是固态电解质与正负极之间界面阻抗比较大.目前业界的共识是,现在谈全固态锂电池的产业化还为时尚早,因为与其配套的材料、设备、工艺还不成熟.
四、超级锰酸锂电池
一直以来,锰酸锂电池没有得到业内人士的认可,主要基于两大原因：一是能量密度低,二是循环性能差.一位锂电行业资深学者认为,这与锰酸锂材料本身有一定关系,但根本原因还是国内企业在锰酸锂电池上投入不够.
值得一提的是,当前中国新能源汽车正处于快速发展阶段,很多细分领域蕴藏着庞大的市场商机.在此背景下,国内个别电池企业在锰酸锂电池方面有了研发的突破,并在电动汽车应用领域表现不错.例如：星恒电源与中国科学院物理研究所等产学研合作,采用表面氧化铝包覆和铝渗透掺杂技术,提升了锰酸锂材料在电池中的高温循环性和稳定性,构建了改性锰酸锂动力电池的生产体系和新工艺,自主开发了自动化装备,成功实现超级锰酸锂正极材料和车用动力电池的量产.经过10 多年技术沉淀和产业化积累,该公司的超级锰酸锂电池的循环寿命突破2 000 次,在高低温性能、安全性能方面优势显著.更为关键的是,该公司的电池成本在过去的几年里大幅度降低.在刚刚过去的2016 年,星恒电源在电动物流车领域异军突起,在国内锂电自行车市场也占有重要的一席之地.
五、快充型磷酸铁锂电池
从消费者角度而言,都希望电动汽车、锂电自行车充电时间越短越好,因而快充型动力电池颇受欢迎.值得注意的是,作为完整的解决方案,除了提升充电速率,快充技术还得考量其他4 个指标,分别是能量密度、寿命、安全性和,否则单独谈充电速率是没有意义的.这5 个指标处在一个相对稳定的雷达图里.如何不牺牲能量密度,不影响循环寿命,又安全稳妥地提升充电速度是产业链上各方的极致追求.
目前业界快充技术主要有磷酸铁锂快充技术、纳米钛酸锂快充技术等.
据了解,一家企业在正极上,开发了“超电子网”技术,使得磷酸铁锂具有优异的电子导电性能,同时磷酸铁锂的正极也兼顾了快充电池系统的超高安全性和可靠性.这家企业选择的磷酸铁锂/石墨快充技术拥有3 大特点：首先是高倍率,10min 迅速充满,基本可媲美燃油车的加油时间；其次是长寿命,可达到超过10 000 次的充放电循环,满足对于客车客户使用8 年的质保需求；再次是高安全的体系,磷酸铁锂是现阶段较成熟、安全的动力电池,其在“十一五”开始示范应用,在“十二五”电动车发展中担任主力军.磷酸铁锂电池是经过实践验证的较为成熟的电池材料.
六、石墨烯锂电池
石墨烯是近年来炒得很火的一款材料.在动力锂电池领域,石墨烯也有了实际的应用.据介绍：比亚迪公司将石墨烯作为导电剂使用已经有2~3 年了,由于石墨烯导电性比其他导电剂更好,可以适当减少添加量,从而省出空间给活性材料,使用后相比普通的磷酸铁锂电池能量提升3~5%,在成本上也比碳纳米管的还低一些.
目前石墨烯只是用于动力锂电池的导电剂,并没有发现其他更多的功能.一位业内专家介绍,采用石墨烯包覆技术后,锂电池材料性能可以改善,比如提高材料导电性,提升电池循环性能、功率性能,容量也有所提升(基本上忽略不计),但最终想要提升能量密度是不能指望导电剂的,关键点还在正负极活性材料上.
一些企业已经在扩产石墨烯动力锂电池项目上付诸实施.消息显示,不久前,青岛国际石墨烯科技创新园二期( 石墨烯锂离子动力电池组装产业化)项目正式建设.该项目总投资2 亿元,由青岛海福得纳米科技有限公司投资建设.项目主要是将先进的石墨烯产品研发制造工艺融入锂离子动力电池设计制造中,全面提升电池产品质量和续航能力.
七、燃料电池
补贴新政对于燃料电池汽车的“特殊照顾”引起了业内人士关注.通知指出,除燃料电池汽车外,各类车型2019~2020 年及地方补贴标准和上限,在现行标准基础上退坡20%.
对于燃料电池车,按照燃料电池车的类型进行补贴.对于燃料电池乘用车给予20 万元/ 辆补贴.对于燃料电池小型货车、客车给予30 万/ 辆补贴.对于燃料电池大中型客车、中重型货车,给予50 万/ 辆补贴.燃料电池额定功率与发动机额定功率相比不小于30%,且不低于30KW.
业内人士表示,随着电动汽车的补贴退坡加速,燃料电池车较高的补贴额度会逐渐弥补之前高的劣势.鼓励企业加大对燃料电池车的研发投入,2017 年将有更多燃料电池车型出现.但有一点须承认,中国新能源汽车动力源仍以动力锂电池为主,在未来相当长的一段时间都是如此.不过,在本世纪初,曾有企业研发出用于电动自行车的取名为锌空燃料电池,充一次电可以行使200 km,并进行了市场化运作,但由于自放电的问题无法得到有效解决而被迫退出市场.随着科技的进步,燃料电池自放电现象必将得到彻底地解决.可以肯定,用于电动自行车的燃料电池,充一次电可以行使更长里程不是梦.
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