2019年1月8日-9日,2019第二届中国(成都)新能源汽车高峰论坛在成都星宸航都国际酒店正式开幕。1月8日下午,上海大学环境与化学工程学院教授赵兵在新能源汽车总工技术峰会上发表了主题为《从应用需求评估动力电池技术路线》的演讲,电车资源整理赵兵演讲主要内容如下:
上海大学环境与化学工程学院教授 赵兵
一、主流车企对动力电池的要求
1.发展电动汽车的意义
发展新能源汽车的目的是节省燃油、减少二氧化碳排放、提高燃油效率。在新能源汽车的技术当中,国外从混合动力技术开始,中国则直接进入了插电式混合动力和纯电动的领域,节能减排步伐比较快。
从2018市面上主要乘用车型电池配置可以看出,许多车型电池系统能量密度都能达到150-170Wh/kg,续驶里程都在200至500公里之间。
几种纯电动乘用车型的电池配置
2.锂电池技术路线
根据锂离子电池现有的可行的化学体系来讲,赵兵表示,电池化学体系发展路径,国内和国外观点基本一致。从最早的锰酸锂到磷酸铁锂,再到三元体系,以及如今的高镍三元体系,动力电池继续往高能量密度发展。在300Wh/kg目标下的体系正极需要用到高镍体系的811或者9055,负极是硅碳。与此同时,赵兵认为,动力电池往更高能量密度的方向发展时,需要兼顾一定的寿命、更好的安全性以及高低温性能等。
以电池电化学体系分类
来源:Dr. Jörg Huslage Center ofExcellence Battery Cell
3.锂电池系统的成本分析
经过调研,2018年能量密度在150-160Wh/kg的电池市场主流价格为1200元。业内对价格的下降保持着较大的信心,而赵兵却认为,从材料的角度和技术自身的提升速度来说,价格下降较为困难。
来源:Bloomberg New Energy Finance
对于价格下降困难的原因,赵兵说到,假设电源系统80%的成本由电芯构成,而电芯的80%由材料构成,其中正负极材料占到电芯材料BOM的40%-45%。按照推算,正负极材料在电池系统成本中的占比达到28%-30%。
假设电池价格定位在1200元每度电,那么正负极材料必须控制在0.34元每瓦时;如果降到1000元内,这个价格就必须控制在0.28每瓦时。锰酸锂和磷酸铁锂价格均在此范围内,而三元体系从523、622到811,相比原来的体系,每个瓦时的价格至少高出0.15元到0.2元。
来源:Dr. Georg Steinhoff;October 13th, 2018 ABAA 11, Huzhou
由此,赵兵判断:
第一,1200元每千瓦时的价格对电池行业是极大的考验。
第二,高镍体系的选择不仅是因为比能量优势,同时也具有成本优势,系统比能量在150Wh/Kg及以上,单体比能量在230Wh/Kg及以上的,三元体系是必然的选择。
第三,锰酸锂、磷酸铁锂凸显在成本上的优势。系统比能量小于等于120Wh/Kg,单体比能量小于等于180Wh/Kg的,选择锰酸锂及磷酸铁锂较为适合。
在功能和性能满足的前提下,成本是至关重要的竞争要素。
二、应用场景、成本与电池
1.两种典型应用场景的性能和价格的比较
经过测算,一次充电续驶里程为300公里的家庭用乘用车,每天行驶不超过100公里。如果车的使用寿命为10年,电池只需要循环1200次。而一次充电续驶里程为500公里的家庭用乘用车,在同样的背景下,仅需要满足720次循环。以家庭应用为主的乘用车,电池系统寿命达到1200次循环肯定是足够了。如今很多电池体系都可以达到这样的循环寿命要求。
那么家庭用车辆装配的电池应选择续驶里程300公里,还是500公里呢?赵兵表示,从用户实际使用体验而言,区别并不明显。但是二种方案配备的电池价格区别却很大。装载续驶里程为300公里的电池意味着需要比能量较低的电池即可满足,假设电池系统价格为1100元每千瓦时,那么电源系统总价的价格为4万每辆。续驶里程为500公里的电池价格则为8万左右,仅电池的价格就相差了一半。
两种典型应用场景的性能和价格的比较
从国内市场上的乘用车配置上看,越来越热衷于配备高能量密度电池,续驶里程400公里以上。大众推出的E-Golf 2018款续驶里程倒是选择了300公里。
从运营车辆的角度看,一辆用于运营的车辆的生命周期行驶里程在50万公里是起码要求。经过测算,我们发现循环寿命的要求也并不是很高。问题在于:运营车辆每天电池的电量用完后该怎么充电?在每天都需要充电的场景下,是选择慢充、快充还是换电式?赵兵表示,如果从成本的角度来看,选择少装一些电池,换电方案似乎更实际一些。
2.电池快充设计电芯增加的成本
从电池设计层面来说,实现快充的技术难度较大,但这并不意味着快充不能实现。赵兵表示,实现快充有一个大家都回避不了的问题,那就是成本问题。每当倍率提升,把充电时间从1个小时提升到20分钟、10分钟,或是更高的充电速度,那么整个系统的成本会随之升高。例如10分钟快充电源系统成本增加30%,那么这多出来的30%成本,消费者愿不愿承担呢?
来源:David Howell, Deputy Directo ,Vehicle Technologies Officer October 13th, 2018 ABAA 11, Huzhou
基于分析,乘用车动力电池至少在部分应用场景下是可以不过分强调能量密度的,安全性和成本似乎更重要,这类电池通常会选择磷酸铁锂、锰酸锂或是其他新材料体系。赵兵认为,高续驶里程与电池价格的矛盾是一直存在的,技术要解决的问题不仅是材料问题,体系选择的问题,真正要解决的是安全问题。
三、固态电池距离车用还有多远
从固态电池的技术路线成本趋势可以看出,现阶段固态电池的价格比液态电池可能要高2倍,当然这个固态电池是指使用金属锂的固态电池。
纯电动车用锂离子电池的价格走势
来源:David Howell, Deputy Directo ,Vehicle Technologies Officer October 13th, 2018 ABAA 11, Huzhou
固态电池发展可以分为几个阶段,由液态电解质、半固态逐渐发展到全固态。赵兵认为,至少要3至5年后才可能实现全固态。目前行业内能够小批量生产或者在车上试用的大多为混合固液电解液体系,其能量密度一般在300Wh/kg以下。
目前的半固态电池的比能量还不能做到比液态电池高很多,只有金属锂真正应用在固态电池上,才有可能大幅度地提升能量密度。然而金属锂安全性的问题并不如想象那么乐观,固态电解质没有爆炸的危险,但凡是电池都有危险性。
从液态电解质锂离子电池到全固态金属锂电池
来源:李泓,中科院物理所 2018.12.9上海大学学术报告
发展固态锂离子电池的必要性
1.安全性
在NCM/C体系中,固液混合电解液方案的安全性提升得到验证,比能量和成本能否优于液态电解质方案还需要更多的数据支撑。
2.比能量
金属锂的应用是电芯比能量得到提高的基础,但是安全性还需要更多的数据支撑,采用传统碳负极体系,电池系统比能量提升有限。
3.循环寿命
尚无足够数据支持提升寿命,尤其是高倍率循环性能。
4.何时有可能批量车用?
对于固态电池何时能批量应用于车辆,赵兵表示,乐观一点或许是在2023年以后。
来源:电车资源
版权声明:本文版权为电车资源所有,转载请务必注明来源(电车资源)及作者。
