动力电池：挑战无极限 追逐能量密度比有风险

特斯拉这两天再度赚足眼球。外媒报道,特斯拉近日在股东邮件中提供了特斯拉Model 3的电池技术明细,其中包括目前其电池所采用的原材料配比。

早前,马斯克宣称率先被使用到Model 3中的21700锂电池单体能量密度接近300瓦时/公斤,几乎是世界上能量密度最高的量产锂离子电池。特斯拉是否又创下一个世界之最,我们拭目以待。

据参考消息网5月14日报道,美媒称,2018年一季度,中国贡献了全球新能源汽车总销量的一半左右。特斯拉宣称,其最新推出的电池能20分钟充满电、续航350公里。中国拥有如此庞大的市场,是否能造出类似的超级电池?我国新能源汽车使用的电池目前尚未称雄世界,究竟是受限于制造材料还是关键技术?或者是因为选择了不同的技术路线?

挑战无极限 追逐能量密度比有风险

“特斯拉宣称电池单体能量密度最高为300瓦时/公斤,电池能量密度越高,出现燃烧爆炸的事故几率就越高。”中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会秘书长张雨说,电池的核心在电池管理系统,虽然特斯拉通过电池系统管理技术较好地解决了能量密度提升带来的热失控问题,而且通过汽车设计成功地规避了三元锂电池循环寿命短的难题。但如果要进一步提升能量密度,会对电池安全管理提出更大挑战。

特斯拉宣称的能量密度最高的锂离子电池,在业界专家眼里也并非尽善尽美。

中国工程院院士杨裕生在多个场合强调,不断地提高电池的比能量是一条非常危险的路。

此前,中国科协主席万钢曾公开表示,从市场上看,续驶里程确实是电动汽车技术进步的重要标志,但它的实现并非是简单增加车载电池量就能解决。

“电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量就越大,电池能量密度和装载量决定电动汽车的续航。过去十几年间,电池能量密度的提升,主要就是靠电池材料本身的技术进步及电池中活性物质占比的提升来实现。”合肥国轩高科动力能源有限公司工程研究院副院长杨续来表示,通过增大电池尺寸降低壳体等辅材的重量,也能达到电池能量密度提升的效果。

对担负着国家弯道超车使命的新能源产业而言,动力电池的重要性不言而喻。不少业内人士坦承,动力电池是新能源汽车的心脏,新能源汽车能走多远,主要取决于动力电池。

值得注意的是,根据《中国制造2025》动力电池发展规划:到2020年,国产电池能量密度将达到300瓦时/公斤。专家认为,我国在积极推动高比能量电池的发展,但电池的安全和比能量的关系问题依然值得研究。

技术虽有难题 本土企业也能生产

业内专家表示,不仅是特斯拉的电池系统控制能力,整车设计也并非大多数中国车企短期内能模仿和超越的。那么,中国本土企业能造出如特斯拉般续航强劲的三元锂电池吗?

在电池的四大主材——正极材料、负极材料、电解液和隔膜中,正极材料不但占到成本的40%,且直接决定电芯的能量密度。根据正极材料技术路线,动力电池可主要分为磷酸铁锂、三元锂(NCA/NCM)和锰酸锂电池三类。

根据正极材料的构成,三元锂电池分为NCA和NCM两类。NCM是指正极材料由镍钴锰三种材料按一定比例组合而成,而NCA的正极材料是由镍钴铝构成。特斯拉此次宣称的强劲续航电池属于三元锂NCA电池。

中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会研究部主任周波表示,NCA的生产工艺条件更为苛刻,制作工艺存在门槛。更重要的是,NCA材料的技术壁垒也很高,目前产能主要集中在日韩,我国量产较少。

“NCA电池在国内也可以做,去年国内某重点材料企业给日本松下供货1000多吨。”张雨说。

但据记者了解,国内NCA材料及其电池的产业化开发起步较晚,目前有多家企业开始中试和小批量试产,还有一些技术问题需要解决,并没有形成批量生产及销售。同时,生产材料受限,国外NCA材料市场主要为住友金属、日本化学产业株式会社等垄断。

张雨分析说,NCA电池在中国未能大量生产的深层次原因还在于,由于热稳定性较差导致电池的安全性下降,电池生产企业和终端产品用户对NCA电池的安全性心存顾虑,这需要从电芯设计、电源系统设计、电源使用等环节进行系统可靠的安全设计。而从加工角度来说,NCA电池需要纯氧环境、加工成本较高,在电池生产全过程均要控制湿度在10%以下,这些对国内企业都存在很大挑战。

基于技术、成本和补贴的因素,中国主要选择了NCM路线,但这也并不代表NCA路线没有新机会。

成本影响市场 特斯拉未必是标杆

尽管中国本土企业并不是造不出三元锂电池,但特斯拉挑战极限的三元锂电池,并不一定是我国新能源汽车电池研究、生产的唯一目标。

来自中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会的数据显示,从不同电池材料类型来看,2017年1—12月三元锂电池装机量为16.04千兆瓦时,占比为44.01%;磷酸铁锂电池装机量为17.97千兆瓦时,占比为49.29%;锰酸锂电池装机量为1.48千兆瓦时,占比为4.06%……

业内人士告诉科技日报记者,在国家政策主导和市场环境加持下,我国锂电池技术路线为磷酸铁锂和三元锂电池并重。然而,即便在三元锂电池的技术路线发展上,国内动力电池制造厂家的选择也有侧重,选择NCM路线者众,而鲜有选择特斯拉使用的NCA路线者。

NCA电池已经大规模、成熟量产,且得到商业上的验证;而高能量密度的NCM电池,目前还未大规模量产。业界专家表示,两者性能上比较接近,但高能量密度的NCM价格略便宜。所以,从性价比而言,NCM更符合我国市场。

“从某种意义上来说,其实是磷酸铁锂成就了中国的新能源汽车。从成本角度来说,磷酸铁锂更占优势,我们预测将来磷酸铁锂电池市场空间应该比三元锂电池更大。”杨续来告诉科技日报记者,现阶段三元锂电池的发展趋势,得益于国家政策导向对高比能量电池的要求,要求电池能量密度高、续航里程远。当然,三元锂电池拥有更高的比能量和比功率,更符合乘用车的需求,但将来未必一定是市场主流。