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电动汽车的发展路线与下一代动力电池

来源: 电池招聘网 发布时间:2018-11-09 09:07:52浏览次数:109次

  2018年11月8日,以“新时代·破而立:前行中的产业转折之路”为主题的“锂想”2018第三届动力电池应用国际峰会(CBIS2018)在北京兴基伯尔曼饭店开幕。中国工程院院士杨裕生在CBIS2018“锂想”峰会上发表主题演讲,以下为演讲内容。

  中国工程院院士杨裕生:

  今天讲“电动汽车的发展路线与下一代动力电池”。为什么要把电动汽车的发展路线和下一代动力电池连在一起来讲?因为我一直认为,什么样的电动汽车的路线就应该发展什么样的动力电池,这是两个相关的问题。

  讲三个问题:第一,发展路线与电池;第二,纯电动汽车的路线的下一代电池。第三,增程式路线的下一代电池。

  先讲几个观点:第一,电动汽车和动力电池相互依存、相互促进,这个大家都可以理解,但是相互制约提的不多。第二,按电池水平来做电动汽车。举个例子,镍氢电池做PRIUS的混动,这是日本的丰田到去年的8月份已经销售1千万辆的车子,今年又有大的增长,这个电池用的很好,比能量只有50多瓦时/公斤。所以不是说一定要追求高比能量才能做出好的车子。第三,电池真正的进步才能推动电动汽车水平的提高,冒进就要吃苦。就是说电池如果不成熟,实际上是处于一种不稳定状态的电池,如果把它大量的用在汽车上,就要出问题。第四,电动汽车的主要矛盾是安全和里程的对立。这是我提出来的一个观点。第五,安全性是矛盾的主要方面,里程是次要方面,不可颠倒。我们学过毛主席的矛盾论,都要讲认可事物都要分析它的主要矛盾,矛盾当中主要方面跟次要方面也要分清楚,如果不分清楚,把主要矛盾、次要矛盾搞错了,最后我们就要走弯路。主要矛盾反映在电池上,是危险性与比能量的矛盾,电池的危险性制约“电动汽车里程随心所欲提高”,我这里讲的随心所欲提高是我们现在每年都在提高要求。瞄准了250公里、300公里、400公里,现在还想冲击500公里,这就是随心所欲。

  第一个问题,电动汽车发展路线和电池。

  国家科技部的“三纵”路线最初提出是“纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车”,后来混合动力汽车就改成了插电式电动汽车,后来插电式电动汽车又改成增程式电动汽车,这个变化前后大概10年的时间,增程式是今年1月份的电动汽车百人会上万钢副主席正式宣布的,新的“三纵”是增程式代替了“插电式”。

  为什么会有这样的变化?说的不好听就“心中无数,重点不清,路线摇摆”。不同的电动汽车的发展路线需要不同的电池,对下一代动力电池技术的要求也不同,所以从这样一个观点出发来谈我今天的一些认识。

  路线当中的燃料电池今天不谈了,因为燃料电池现在的功率跟不上车的变化,已经变成一种增程器,它可以提高能量,但是它不是直接去推动电动汽车,而且现在是靠补贴在那里发展,远远没有进入市场化的阶段。

  10年来我的主张是,我提了一个原则,要有安全成熟的电池发展节能减排的电动汽车,技术路线两条,一个是微小型纯电动车作为突破口,第二句话是,大众型车发展纯电驱动的增程式。微小型电动车可以用铅酸电池做低速车,也可以用锂离子电池做高速车,这个由市场决定。增程式电动车解决了纯电动车的五大焦虑。它是市场化最为可行的一个车种。

  现在我的主张逐渐被接受了,很不容易,十年了。科技部刚才说1月份把它列入新“三纵”,国家发改委7月,在《汽车产业投资管理规定(征求意见稿)》当中,把增程式列入到纯电动汽车内。现在企业也在纷纷做小型车或者发展增程式技术增程器

  第二个问题,纯电动汽车路线下的下一代电池。

  长里程的纯电动汽车有五大焦虑:1,里程焦虑,需要多带电池,仍然怕断电,电池多了车子就重,加上夏天空调严重缩短里程。2,安全焦虑,电池多要求比能量又要高,危险性大,燃烧爆炸的事故多。3,充电焦虑。充电桩要密,既费钱,要地,很难符合要求。4,价格焦虑,电池用量大了,价格就高,竞争力就低。5,电池焦虑,因为电池的寿命短于整车,第一套电池有补贴,第二、第三套电池就要自己花钱。补贴停了之后,里程越长,原来补贴越高的车就越难卖出去。像比亚迪E6 700公斤的电池,下降到30几万,补贴停止之后卖这个车就就很困难。目前耗电少、里程有限的微小型车,或者像A0级甚至于A00级的车。

  要追求长里程就要用比能量高的电池,这样就要牺牲安全性。按这些观点来看,我们纯电动车的电池下一代应该怎么做,现在三元电池一再提高比能量,这样的做法对不对?

  电池组像汽油箱那样,是一种含高能物质的部件。锂离子电池中的电解液是用易燃的溶剂配置而成。正极氧化剂和负极还原剂只隔一层微米极厚的隔膜,内短路就很容易发生,内短路就要发生热量,充放电的时候电池热阻也发生热量,当温度达到一定的时候,正极产品氧化剂就容易与电解液发生化学反应。今天我们理事长也讲到,现在有一类电池,当温度升高到50度以后,电池放在那里自己就会温度不断升高。所以三元材料应该重视,三元材料在一定温度之下会分解放出氧,这个氧不一定是气体,可能是一种很活泼的初生态的氧。北大的教授也做了实验证明有负一价的氧产生。大量的化学反应就造成热失控,电池就会燃烧甚至爆炸。

图片表情

  正极的氧化剂不同发生热失控的温度不同。这张图是美国三家实验室做的,可以看到,镍钴铝正极大概在200多的时候发生温度的急剧上升,而333三元大概到230度,锰酸锂正极电池要到250度,磷酸铁锂电池温度升高速度开始比较大,到了一定的时候升温速度就会降下来。正极材料热失控温度越低,电池材料的安全性越差。

  特斯拉用三元电池去年年底已经烧了十几辆车,他可以叫“烧车的冠军”,今年特斯拉又烧了4辆车,就在5月份烧了2辆车,烧死了3个人、烧伤了1个人,在美国2个人烧死了,在瑞士一个德国人烧死了。三元锂离子电池火势蔓延太猛,来不及逃生,外面的人来不及救人。三元里例子电池针刺实验过不了关,针刺实验是我们原来国家标准里面的必要实验,现在把这个实验已经放在一边了,而且允许乘用车上敞开使用。我们国家今年已经烧了38辆车,90%以上是乘用车,主要是用的三元。这个数统计的是不准确的,因为这是深圳一家公司给我提供的。现在已经形成了以提高比能量为首要指标的“惯性思维”。所以镍钴锰比例从333、523、622到811,危险性不断的在增加。现在采取许多措施来提高安全性,成组之后它的比能量并不是很高,比如三元现在成组能够到160瓦时的多一点,而磷酸铁锂现在有的公司已经做到150瓦时/公斤,单体做到180瓦时。

  不是说一定要去追求做三元,大概两个多月以前我发表了一篇文章,要大力发展磷酸铁锂电池,网上转载了,很多人支持,但是也有人反对,我觉得这个都很正常,从不同的角度来探讨应该怎么发展电池的问题。今天我这个观点也希望大家还可以再讨论。

  第二个是,全固态锂离子电池。这是针对锂离子电池燃烧、爆炸频发产生的下一代电池。固态电解质除了自身的电导率之外,最要害的是其与活性物质之间的界面电阻随充放电而增加,这是由于活性物质在充放电时必然的体积涨缩而脱离电解质,也是正极材料掉不可避免的,包括负极材料也有这个问题。界面的稳定性是全固态电池的一个最根本的问题,除非将来能够做到像橡皮那样的全固态电解质,它是可以有很大的弹性,随着活性物质的变化而来变化。

  现在研究者降低了调门,不叫全固态了,改成“固态电池”,实际上是半固态或准固态,还是要加点电解液,比功率、寿命、成本都还有问题,效果如何,拭目以待。

  后锂离子电池,这是日本人提出来的名称,叫锂硫电池,又称下一代动力电池。它的理论比能量高,但是从比能量看也是有片面性的,它有安全性低、体积比能量低、放电倍率低、能量转换率低、循环次数低,这“五低”问题真正解决之后才能用到车上,还要做很大努力。

  下一代是锂空气电池,比能量达到700瓦时/公斤,这样汽车里程就可以赶上燃油车了,这个事情很微妙,但是问题新美高梅线上娱乐,很可能是远水解不了远渴。也有五个问题,问题比锂硫问题更大,要成为动力电池更加渺茫。

  第三个问题,增程式路线下的下一代电池。

  第一代增程式是纯电动汽车上面装了一个增程器,就是车上发电在给电池充电。第二代是把电力系统和电池进行了优化,所以电动机的功率和电池都减半了,车子减轻了。它的优点很突出,电池组不会过充和过放,寿命延长、安全性高,电池少,补贴退坡取消的影响小,易市场化。城市工况下必然有车节油50%以上,用户可以省钱,他可以不充电,免建充电桩,如果有充电条件,节油率可以在80%以上。燃油车的生产设施、加油设施全部可以继承,便于发展。现在我们提出第三代增程式,叫发电直驱增程式,就是发电机发的电是不经过电池组,直接给电动机,这样更加节能,电池更少,电池寿命更长。

  磷酸铁锂比能量已经很高,磷酸铁锂电池可以有高倍率放电,寿命可以达到万次,价格在下降,满足第二代增程式的要求。第三代增程式的电池用量少,为了接受评测时候发电机的性能,吸纳刹车初始时的回馈电能,要求下一代电池应该具有高倍率的充电能力。

  我提出发展电容性锂离子电池,就是在正极材料里面要加活性碳。我们观察到这样的电池倍率性提高,电池寿命延长,低温性能改善,充放电的电压小100多毫伏,这个里面没有加碳的充放电的两根线的距离比较大,加了碳之后充放电的两根线的距离就大大缩小。说明了电容在里面起了好的作用。活性炭承担了大部分电流,使得电池的车辆启动和刹车时候免于大电流对磷酸铁锂材料的冲击。

  高倍率电池的关键在新材料,富镍材料主要是不长枝晶,高比容量,长寿命,方向是硬碳或硬碳+纳米硅,电导率高,中孔率高,密度高,纯度高,比表面高,性能比高,相互制约,寻求最佳途径。孔径要适用于不同枝晶阴离子的扩散和建立双电层电容。我们在张家港公司研制成功的最低孔径5nm—100nm任意可控的碳气凝胶,可满足寻求最佳孔径的标准。

  有人说增程式车还是要烧油,不是最终目标,我要提醒注意两个问题,1,如果我们的汽车油耗降到一半以下,年仅有2亿吨,环境改善了,能源安全提高,我国由汽车大国向汽车强国迈向一大步,全国人民都可以高兴。2,纯电动车未必是最终目标,装电池多、重,车子重、好又多,特斯拉在新加坡受到罚款,所以应该考虑全过程的节能减排,不是在电动汽车行驶过程这么一段的节能减排的问题。

  未来的增程式电动车可以不烧油,不增加二氧化碳排放,可以从太阳能来发电给电动汽车提供能量。同时秸秆、甜高粱这一类有机物产生乙醇,再给乙醇的发动机发电提供能量,这样增程式就全部靠太阳能来发动。

  所以增程式不是向纯电动汽车的过渡,而是未来汽车的主力。

  最后几句话:

  1,电动汽车必须安全第一,电池的安全性一定要高。

  2,锂离子电池的方向和电动汽车要同步发展。所以现在的纯电动车主要有三元电池,第二代增程式有磷酸铁锂,第三代增程式就应该发展电容性磷酸铁锂电池。

  3,电容型磷酸铁锂动力电池以碳气凝胶和新型硅炭复合材料为关键材料,是下一代动力电池。

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