电池知识
锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源
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锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源
我国科学院院士、我国电动车百人会执行副理事长欧阳明高在日前召开的我国电动车百人会论坛(2019)上表示，锂电池仍具有成为动力锂离子电池主流技术的潜质和前景，但安全性尤为紧要。
欧阳明高认为，从车用角度看，最紧要的是体积能量密度而不是重量能量密度。锂硫电池、锂空气电池，虽然理论重量能量密度比较高，但体积能量密度目前还很难超越锂电池。因此，他认为锂电池具有成为动力锂离子电池主流技术的潜质和前景，但瓶颈是高比能量动力锂离子电池的安全性。
他认为，2018年出现的新能源汽车安全事故，搭载电池大多是2016年左右加工的NCM523体系电池。而随着高镍材料的大规模使用，电池的热稳定性将会变得越来越差，将来车辆安全性风险将会进一步加大，因此非得采取手段来防止安全性问题。
以下为欧阳明高发言全文：
尊敬的万钢主席、苗圩部长、陈清泰理事长，各位同行，大家下午好!我解析一下我国新能源汽车技术路线的展望。
我国新能源汽车技术路线经过了长时间的演化，从节能与新能源汽车到纯电驱动技术转型战略，再到新能源汽车强国战略。2018年十一月，全国政协召开了“双周座谈会”，一些委员提出了一些新的提议，提出要面向2035年制定新能源汽车发展规划。我们首先从技术角度来展望一下将来的发展，我就纯电动力、混合动力、燃料动力电池以及电动化和新能源融合四个方面做一下展望。
第一，纯电动力的技术展望。
自2008年锂离子动力锂离子电池使用于电动车已经10年，实际装车产品的能量密度提高了2.5倍，实现了蓄电池范畴百年来革命性的冲破。2020年我们的目标是300瓦时/公斤，这是全球的共同目标，而我国也已经完全做好了准备。
从车用角度看，最紧要的是体积能量密度而不是重量能量密度，锂电池在这个方面是最具优点的，今朝的锂硫电池、锂空气电池，虽然理论重量能量密度比较高的，但体积能量密度目前还很难超越锂电池。在这个方面，我们认为锂电池具有成为动力锂离子电池主流技术的潜质和前景，但瓶颈是高比能量动力锂离子电池的安全性。2018年出现了一些安全事故，这些事故车辆使用的电池基本上是在2016年左右加工的，大概是NCM523体系。随着高镍的使用，电池的热稳定性将会变差，将来安全性风险会更大，所以非得采取手段来防止安全性问题。
首先，当前锂电池从单体层面完全杜绝热失控是不太实际的，我们可以从电池系统的热机电设计与控制设计来戒备诱发和蔓延，即便单体出现热失控也不会发生事故。
其次，从改善电池本身安全性出发，要发展新型的固态电解质电池。最近我们与日本专家讨论，日本为应对我国和韩国电池产业的崛起，举全国之力研发下一代固态电池，每年政府经费达到50-100亿日元。美国和欧洲原有的电池产业是比较薄弱的，他们也在全力开发新一代固态电池，以实现超越。我国电池产业虽然暂时取得优点，但国际竞争压力巨大，要全力追赶固态电池前沿技术。当前国内也有一些固态电池，但还不是全固态电池，全固态电池大规模商业化估计在2025-2030年(后以后)才会真正实现，要我们继续的努力。
依据国内外的形势，“十三五”新能源汽车总体专家组提出了路线图的展望。总体看，电池正极发展方向是减钴到无钴，负极将是加硅，硅的含量将逐步提升，甚至是全硅。电解质要减少有机溶剂，逐步提高锂盐的浓度，但是将来可能要开发全固态电解质，但是全固态电解质目前还有很多技术瓶颈要克服，要逐步开展。
除了电池，大家目前关注的可能是续驶里程，处理了电池并不能处理续驶里程的全部问题，目前续驶里程已经从150公里提高到普遍300公里以上，但是客户的抱怨并没有减少，因为实际的续驶里程低于期待值。我本人也是电动车的用户，我深有感触，实际的续驶里程对气温柔驾驶风格是非常敏感的。靠增大电池装载量来新增续驶里程不是根本出路，主流技术路线是提高电动车能效和充电便利性。
首先，在能效方面，高效电驱动系统的技术变革将会在将来5年发生，即电机驱动系统高速化、高效化、小型化，今朝转速能够达到1.8万转/min，将来可能会到2万转/min;电机的体积、重量逐步减少，由于电机材料成本下降，电机成本也会下降。
其次，以碳化硅为代表的新一代高频、高效电力电子将普遍使用，这也将会支撑高速电机的发展，使电机向小型、高效、低成本方向发展。据知道，美国能源部最近提出，面向2025年极具挑战性的目标：电机达到50千瓦/L，电机控制器100千瓦/L。这个目标倘若实现，将对电动车出现革命性的影响。
另外是热管理，新一代热泵空调技术已经取得重大冲破，并开始产业化推广，今朝已经有公司装车，这会降低对气温的敏感性，使冬季低温环境下续驶里程的损失比今朝降低2/3，从30%降到10%。还有就是整车能效优化集成技术的冲破，可以说电耗是整车集成技术水平最紧要的指标，电动车的节能比燃油车更紧要，应当采用法规来管理。日产聆风是一个标杆车型，小型车NEDC工况接近10度电/百公里，装载40-60度电可以行驶400-500公里，降低了电池的装载量。
再一个就是充电的便利性，一是充电体系的建设，二是快充技术的冲破。我国是220伏的电压，非常适合小功率慢充。今朝应当尽量使家用轿车都配置慢充桩，这将成为主体的供电模式，将来成为能源互联网的终端节点;10-15分钟的快速充电是必备的，但快充的定位是应急，不是主体充电的模式，快充占比大概承担15-20%。今朝的350千瓦直流快充和换电代价都太大了，还不理想。预计今后5-7年，新一代与储能结合、安全可靠的快充技术将会出现，这一块创新空间很大。
面向将来，我们对电动车市场化路线图做一个简单展望。国内外研究显示，2025年电池系统的价格将会达到100美元/千瓦时左右，其实我国的磷酸铁锂会提前达到。基于全生命周期的成本，计算燃油汽车的价格和全生命周期的费用，燃油车和电动车将会持平，另外最严格的排放法规即将执行，燃油机的成本将会上升，拐点即将到来。我们认为在2025年左右，纯电动车性价比会实现大的冲破。
特斯拉进入我国，这是当前对纯电动车市场最重大的事件。应当说，特斯拉的纯电动战略正在趋于成熟，它会带来重大的机遇和挑战。Modle3作为一个标杆车型，是特斯拉最成功的一个车型，也是全面进入家庭的一个车型，今朝每个月量产2万台以上，尤其可贵的是它全面升级了动力系统的核心技术，包括电池、电机和智能化技术。总之，市场的开放和技术竞争将会增强技术创新，加速市场推广，加快成本下降。所以纯电动不是收缩和退出，而是抓住机遇，直面挑战。
第二，混合动力技术展望。
混合动力一般来讲是比较复杂的，尤其是关于非汽车、非发动机行业人来说，容易混淆。首先是常规混合动力，即不可充电的混合动力，日本丰田、本田、日产分别开发了代表性的深混技术，引领了国际常规混合动力的潮流。但我们也看到去年以来，日本试产串联式的日产E-power的销量和油耗可以跟普瑞斯的功率分流产品相媲美，这说明我们不一定要走功率分流的路线，对我国来讲串联相对简单。
另外就是可以外界充电的混合动力，我们叫插电式混合动力。插电式混合动力分成两个阶段，在电量维持阶段是常规混合动力。但充完电之后，率先使用的是电池，这一段非常紧要。这要分为两个部分，一是纯电型插电式，就是全部用电，在洋溢电之后的第一阶段就是纯电动，但是还有部分是混合型插电，前面依然是混合动力，比如20公里纯电续驶里程的普锐斯第一代插电混合就属于这种。我们认为，纯电插电混合动力在城区短途用电，高速、长途用油，依据我国的乘用车出行特点，可以省油80%以上，这是我国优点的技术路线，这是我国政府规定50公里以上的纯电续驶里程政策带来的一个红利。倘若将纯电型的插电混合动力按功能和结构分开分解，其实有九类混合动力，纯电型混合动力既可以串联、并联，也可以混联。依据我国对的增程式含义，实际上是串联的纯电型插电混合动力，是纯电插电混合动力中的一类。我国可能紧要是并联和串联两种，混联不会成为主流。
比较这两种方式发现，在混合动力模式下，并联纯电型相较于串联纯电型，具有成本和动力优点，国内领先公司正在着力探索低成本的纯电并联式插电混合动力，我认为这是一个非常值得关注的具有我国优点的技术路线。而且可以抗衡国外深度混合动力的常规混合动力。在成本上，由于并联单电机代替双电机，综合油耗较常规混合动力更大，从40%到80%，在成本上可以跟常规混合动力竞争。这能够处理我国长期以来对深度混合动力头疼问题。
要怎么样执行混合动力技术路线?一是从燃油车升级转换后的节能汽车路线，常规混合动力到插电式混合动力。另外一个是从纯电动车转换的混合动力路线，纯电动到增程式和纯电型插电混合动力。详尽来看，要通过模块化和平台化的发展，内燃机动力完全可以通过模块化发展到并联的三种构型，p2、p2.5和p3，最后发展成并联的纯电型插电混合动力。纯电动力系统方面，我们可以学习日产，发展串联混合动力，然后到燃料动力电池串联混合动力。我们也可以加上增程式的串联型插电式混合动力或者叫增程式电动车，总之，我国混合动力技术的特色和优点依然是纯电驱动。当然纯电驱动包括纯电动，但不等于纯电动。
另外，非得提到的是混合动力的核心技术—发动机技术。目前国内用于混合动力发动机效率为35%-37%，国际水平38%-41%，距离内燃机的极限效率：柴油机大概55%，汽油机45-50%，还有很大空间，我们还要大力创新。在混合动力发动机方面，今朝国际上有效效率已经超过45%，紧要的技术路径包括提高压缩比、稀薄燃烧增压和稀薄燃烧的压燃。值得一提的是增程式的电动车可能会是小功率的增程机，我们今朝探索有转子发动机和自由对塞式发动机等等，从国际文献分解和自我研究的角度，我们认为主流的技术路线依然是小排量四冲程的汽油机。
第三，燃料动力电池展望。
燃料动力电池首先的效益定位，奔驰公司给出的分解，即便选用的基础内燃机不差，内燃混合动力全生命周期4.2升，相当于车上的油耗大概3升，但在这种情况下，依然是纯电动和燃料动力电池效益的碳排放更加优异。纯电动和燃料动力电池相比，当一次能源为天然气的时候，燃料动力电池效益高于纯电动，当一次能源为可再生能源的时候，燃料动力电池效益低于纯电动很多。另外惟有基于可再生能源，才能实现近零碳排放。
燃料动力电池和纯电动的成本平衡点，韩国现代分解乘用车大概是500公里左右，商用车100公里左右。国内外的研究声明，氢燃料动力电池系统更适合替代柴油机，锂电池系统更适合替代汽油机。从使用定位来看，燃料动力电池系统是卡车和公路客车的长途运载工具的最佳选择，这个分解来自丰田公司，也是燃料动力电池技术路线最佳的推崇者，从2009年到2018年，纯电动车的适合里程范围虽然张大了，但燃料动力电池依然定位在长途的商用车范畴，这给我们很多启示。
我国特色的技术路线是燃料动力电池、动力锂离子电池、混合型动力系统，我国开创了这条技术路线。燃料动力电池是国际的主流技术路线，我国燃料动力电池商业化已经开始，经过多年的示范，我们2017年底累计运行千辆，2018年年产超过1500辆，全国投入运营的加氢站达到12座，另外也有在建的。我们相信在我国的北方寒冷地区即SUV范畴，燃料动力电池也具有竞争力。
燃料动力电池目前面对许多挑战，在燃料动力电池发动机层面紧要是膜电机和空压机。另外氢能技术，尤其是车载储氢技术，比如说储氢的能量密度依然是不高的。刚才我们看到锂电池的体积能量密度可以达到每升800瓦时，系统只能达到每升600瓦时，氢系统70兆帕的是每升800瓦时，非得发展新一代的每升1200千瓦时的高能量、低成本的这种储氢系统。目前的氢能技术落后于燃料动力电池技术，要全链条各环节氢能技术有新的冲破，比如说液化要进一步降低能耗。我们预计在2025年到2030年会有新一代的氢能技术的出现。
总之，依据我国和全球氢能燃料动力电池技术的发展进程，我认为氢燃料动力电池汽车相比于纯电动车，产业化进程约莫晚十年左右。在2020年，燃料动力电池混合动力将会成熟，商用车市场，预计在五千到一万辆，标志性的车型是燃料动力电池车。2025年，燃料动力电池技术将会成熟，推广累计将会达到五到十万辆，标志性的车型是燃料动力电池的大型SUV，目前长城汽车在这方面应当说走在前列。2030年，新一代氢能技术冲破，制氢、储氢、运氢全方面冲破，燃料动力电池技术在交通和能源范畴推广达到100万辆，标志性车型是燃料动力电池的长途货运卡车，将会达到一千公里的长途货运能力，一百万公里的可靠性和耐久性。
总之，我国燃料动力电池产业链目前还很薄弱，但产业化态势全球最佳，已经吸引了全球相关资源的深度参与，预计今后五到十年，有可能达到与目前我国锂电池的国际地位相当的水平。
第四，电动化与新能源融合发展的展望。
我们目前叫电动车革命，即将发生的是新能源革命和人工智能革命。在整车智能化方面，我们更多是在谈驾驶智能化，共享出行，其实还有能源的智能化，能源互联网和车网的共享，倘若从驾驶共享的角度看，车辆总数会降低，但是从能源共的角度，家家都应当有电动车，在家里晚上充电，白天卖电，来赚取差价，这样所有车辆的总量不会降低，汽车产业的GDp也不会降低，所以这将是我们将来的出路。
我重点要讲的是有关动力电动化之后的能源革命，电动化革命发展迅猛，我国首次在全球率先导入高科技范畴，上升非常好。今朝从孕育期、导入期进入成长期，还会到最后的高速成长期，我们认为在2020年之后，尤其是2025年之后，将会是突飞猛进的过程。依据我国汽车工程学会的预测，2030年是八千万到一亿辆，大家共同认为所有的销量指标都会提前到达，也就是说2025年，保有量就会达到五千万到八千万，这是极有可能的，我们非得提前做好准备，为能源革命做好准备。
大家知道光伏技术是我国的优点产业，今朝效率普遍达到20%，下一步是30%。第三代光伏革命正在兴起，效率潜力巨大。我国光伏产业突飞猛进，分布式光伏引领发展。我们预计分布式光伏与电动车分布式储能的组合能源系统将构建将来能源交通信息，我们非得为电动车规模化之后的能源革命做好准备。分布式光伏储能动力锂离子电池、氢燃料动力电池及电动车相互要，电动车要新能源，新能源也要电动车。“四位一体”的新能源系统，倘若按照能源局的规划，2030年非化石能源发电比例为50%，新能源也是50%，电动车上的电池将是50亿度，再加上储能电池(比如50亿度)，可以达到100亿度以上，我国每天消费的电也就是140亿度，电池电量就可以供应我国用电。这将是一场深刻的革命，也将带来几万亿到十几万亿的产业。
总之，面向2025年，我们展望电动化技术将会全方位的成熟，不管是锂电池还是燃料动力电池都会全方位成熟。新能源、可再生能源也是价格性价比的拐点，电动车也是性价比的拐点，两个拐点都会在2020年到2025年之间实现。这两个是天然的绝配组合，智能化也会突飞猛进，所以2025年左右是全方位冲破的关键转折点。我们把新能源汽车分成三个阶段，第一个阶段是电动车，但不是真正的新能源汽车，到了第二阶段，新能源电动车就是真正的新能源汽车，到了第三个阶段就是新能源智能化电动车，就是我们最终的全方位革命的完成阶段。
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