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解析技術路線圖:動力電池技術路線圖

2016-11-9

10月26日,中國汽車工程學會在其年會上發布了《節能與新能源汽車技術路線圖》,包括節能汽車、純電動和插電式混合動力汽車、燃料電池汽車、智能網聯汽車、汽車制造技術、汽車輕量化技術及動力電池技術等七大領域未來15年的發展路線制定。工業和信息化部裝備工業司副司長瞿國春強調,路線圖為汽車產業發展指明了發展方向,明晰了重點和路徑,希望成為行業一致的行動指南。

為了詳細解讀這份關乎中國汽車產業發展的七大路線圖,報道將結合《節能與新能源汽車技術路線圖》完整版,分七篇逐一介紹七大技術路線圖的制定背景以及詳細的發展規劃。

動力電池作為能量儲存裝置,是電動汽車的核心部件。其性能的優劣直接影響電動汽車的市場應用和普通消費者的接受度,如安全性、能量密度、功率密度、壽命以及成本等。目前世界范圍內動力電池的研發和產業化主要集中在三個區域,分別位于德國、美國,及中日韓所在的東亞地區,鋰離子動力電池的生產目前也主要集中在中日韓三個國家。

從技術及產業的角度綜合來看,日本在技術方面依舊領先,韓國在市場份額上超越日本占據第一位,中國的電池企業數量最多,產能最大。我國動力電池產業化聚集區域主要有四個:珠江三角洲、長江三角洲、中原地區和京津冀區域。超過100家動力電池企業開展動力電池及電池系統的研發及產業化工作,超過了1000億產業資金投入,形成了超過400億瓦時的年生產能力,技術研發及產業化進展顯著。

在技術方面,動力電池單體和模塊通過了GB/T31485安全性的要求,但電池系統的安全性有待進一步驗證和提升。關鍵材料基本實現了國產化,單體技術水平與國外基本處于同一水平。已形成了較為完善的鋰離子動力電池產業鏈體系,掌握了動力電池的配方設計、結構設計和制造工藝技術,生產線逐漸從半自動中試向全自動大規模制造過度。產品均勻一致性、系統集成技術、生產自動化程度,需加緊追趕。

動力電池的發展與需求

未來相當一段時期內,我國節能與新能源汽車將以普及應用插電式混合動力汽車、純電動企業等新能源汽車為主要任務,迫切期待動力電池降低成本、提高性能。研發新型鋰離子電池和新體系電池、提升動力電池智能制造水平、完善驗證測試方法和標準體系,既是我國節能與新能源汽車的發展需求,也是我國動力電池發簪的關鍵任務,具有緊迫性。

在此背景下,將我國動力電池發展分為三個階段:2020年,技術提升階段。新型鋰離子電池實現產業化,能量型鋰離子電池單體比能量達到350Wh/kg,能量功率兼顧型動力電池單體比能量達到200Wh/kg。動力電池實現智能化制造,產品性能、質量大幅度提升,成本顯著降低,純電動汽車的經濟性與傳統汽油車基本相當,插電式混合動力汽車步入普及應用階段。

2025年,產業發展階段。新型動力電池技術取得顯著進展。動力電池產業發展與國際先進水平接軌,形成2-3家具有較強國際競爭力的大型動力電池公司,國際市場占有率達到30%。固態電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等新體系電池技術不斷取得突破,比能量達到400Wh/kg以上。2030年,產業成熟階段。新體系電池實現實用化,電池單體比能量達到500Wh/kg以上,成本進一步下降;動力電池技術及產業發展處于國際領先水平。

技術路線圖——EV電池

解析七大路線圖之二:動力電池技術路線圖(收藏版)

技術路線圖——EV之新體系電池

固態電池:2020年,逐步實現固態電解質、高比能正極材料合成及三維骨架結構鋰合金構建技術,實現300Wh/kg小容量單體電池樣本制造。2025年,固態電池界面調控技術,實現400Wh/kg大容量單體電池樣品及成組技術。2030年,固態電池推廣應用。

鋰硫電池:2020年,實現鋰電池粉化抑制技術,碳硫電極微觀結構調控,單體電池制備技術。2025年,大容量動力電池示范應用。2030年,鋰硫電池推廣應用。

金屬空氣電池:2020年-2030年,廉價氧催化材料技術開發;水系金屬空氣電池技術開發。在氧環境下研究有機鋰電池空氣電池,明確反應機理;鋰電極界面保護技術開發。2020年,廉價氧催化材料技術和水系金屬空氣電池技術實現實用化;同時,空氣環境研究鋰空氣電池、選擇性防水隔膜技術開發、大容量單體電池制備工藝研究取得進展。

技術路線圖——PHEV電池

解析七大路線圖之二:動力電池技術路線圖(收藏版)

技術路線圖——關鍵材料(正極)

高鎳材料:目前,國內僅有少數廠家初步具備高鎳材料生產能力,但產品性能和一致性仍需進一步提高,關鍵設備的技術水平和可靠性與國外差距較大。要實現突破,就要研究包覆元素種類、包覆量對材料表面殘余堿含量及電化學性能的影響,確定有利于降低殘余堿含量,提高材料電化學性能的最佳包覆參數組合。提高關鍵設備如氧氣氣氛焙燒設備的技術水平和可靠性。預計2020年,比容量將突破225mAh/g。

高電壓材料:通過提高電池充電截止電壓是提高鋰離子能量密度最為直接有效的手段和方法,高電壓材料需要大幅度提升安全性能和循環穩定性能。國內的生產線水平、品質控制水平仍存在較大差距。實現突破可對原材料逐批進行檢查,對全工藝流程的各項工藝參數進行有針對性的管控,實現生產過程的智能化。

富鋰氧化物固溶液材料:目前,該材料的電壓衰減快、倍率性能差、循環穩定性差等因素限制了其廣泛應用。通過對層狀富鋰氧化物固溶體材料表面進行多種金屬協同包覆,隔絕電解液對材料表面結構的侵蝕;通過對材料進行體相的高價金屬摻雜,提高材料首次充放電效率,減少副反應的發生。

解析七大路線圖之二:動力電池技術路線圖(收藏版)

技術路線圖——關鍵材料(負極)

石墨材料:我國石墨類材料的性能/價格比方面已經較日本的日立化成、三菱化學、日本碳素、JEF、昭和電工等具有優勢,石墨負極的供應主要是中國企業,日本企業在材料改性方法和品質和控制方面各具特色。下一階段的目標是進一步提升逆容量和壓實密度,并降低成本。這需要表面包覆等技術提高材料加工性能和電化學性能,加強生產過程中材料的一致性和穩定性控制能力。

無定型碳材料:從產品理化參數等指標看,國內企業和國外先進企業相比,產品的性能相當。材料的主要缺陷需要改進,關鍵工藝技術如表面改性、材料結構調整等需要攻克。下一階段,要通過包覆和摻雜等方面提高首次效率,并優化生產工藝逐漸降低成本;軟碳發展趨勢主要采用摻雜、修飾等改性處理,提高其比容量和首次效率。

硅碳材料:目前,國內外不少負極材料生產企業均已開始布局硅碳負極的開發與商業化,但大部分處于研究階段和小規模批量化生產階段。主要在于關鍵工藝技術如納米化技術、材料結構構筑等需要進一步提高。下一階段目標,在保持高比容量的前提下,進一步提高其庫倫效率、循環性能,并逐步降低成本。

解析七大路線圖之二:動力電池技術路線圖(收藏版)

技術路線圖——關鍵材料(隔膜)

2020年,高品質PE隔膜、PP隔膜的規模化生產,高品質陶瓷圖層隔膜的規模化生產及相關裝備的國產化,新型高安全性隔膜的示范生產。2025年,高安全性復合隔膜的規模化生產;鋰離子導電涂層復合隔膜的產業化,耐高壓隔膜的產業化。2030年,高安全性、耐高壓的高性能隔膜規模化生產;固體電解質的產業化。

解析七大路線圖之二:動力電池技術路線圖(收藏版)

技術路線圖——關鍵材料(電解液)

解析七大路線圖之二:動力電池技術路線圖(收藏版)

技術路線圖——回收

2015-2020年,從人工拆解過渡到自動化拆解,研發自動化拆解設備,提高回收材料性能,鎳、鈷、錳材料回收率達到90%以上;開發鋰回收產業技術,實現收益;研發石墨回收技術,突破資源再生。

2021年-2025年,自動化拆解技術突破,向電池回收工業2.0的方向邁進,實現全面自動化。拆解技術智能化,拆解過程物料分選率達到80%。研發改性動力極正極材料,提高回收材料性能,鎳、鈷、錳材料回收率達到95%以上。改進鋰回收技術,使鋰回收率達到90%以上,實現石墨回收全自動產業化。

2026年-2030年,智能化拆解,實現低損耗、低投入、高效率,實現智能化操作,拆解過程物料分選率到95%。鎳、鈷、錳材料回收率達到99%以上。開發正極和負極材料聯合回收技術,實現電池-使用-回收再生-電池循環體系。打造智能化、高效率、低成本鋰回收生產線,實現石墨回收利用率達95%以上。

技術路線圖——梯次利用

監控技術:優化完善動力電池運行狀態監控系統,實現省級區域在用車輛動力電池的實時監控。提升監控系統準確度和適用性,實現全國在用車輛動力電池的實時監控。建成完善、準確的在用新能源汽車動力電池監控系統,實現監控平臺完全整合。

評估技術:開啟、完善動力電池健康狀態分析工具和模型,快速、高效評估動力電池狀態。

分選技術:開發、完善動力電池電芯分選技術,創建動力電池分選方法,提高分選效率,實現動力電池無損、高效、自動化分選。

成組集成技術:開發動力電池單體性能一致性修復技術,實現同一類別動力電池模塊標準化設計。構建全自動、高效的動力電池成組集成技術,良品率高。實現動力電池模塊全部標準化設計,建立標準化梯級利用電源系統。

效益分析:創建再利用效益初步分析方法,構建動力電池梯級利用示范工程。完成再利用場景分析,構建動力電池梯級利用盈利模式。拓展新的再利用場景,提升梯級利用效率。 


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