寬溫動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)及相關(guān)政策*

佟麗珠 蔡文博 候麗春

(長(zhǎng)春市汽車(chē)工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013)

近年來(lái)，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，綠色出行理念正在廣泛深入人心，一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)體系和消費(fèi)觀念，逐步改變著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展格局。但是適應(yīng)高寒環(huán)境的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，嚴(yán)重制約了廣大高寒地區(qū)的應(yīng)用普及[1]?？陀^的實(shí)際情況是，能夠在南方地區(qū)正常使用并且性能優(yōu)越的電動(dòng)汽車(chē)，大多數(shù)在高寒氣候環(huán)境下幾乎無(wú)法啟動(dòng)，即使能夠行駛，續(xù)駛里程也會(huì)大打折扣，原因在于電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力蓄電池受環(huán)境溫度影響較大。我國(guó)高緯高寒地區(qū)，全年結(jié)冰期達(dá)200天以上，全年氣溫低于零下30 ℃的嚴(yán)寒天氣有30多天。 高寒地區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)有著極大的市場(chǎng)需求，為了確保電動(dòng)汽車(chē)在高寒氣候環(huán)境下能夠正常充電、啟動(dòng)和行駛，并且能夠達(dá)到一定的續(xù)駛里程，就要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力蓄電池在高寒環(huán)境下的性能提出更高的要求。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)-20 ℃～55 ℃溫度范圍內(nèi)的動(dòng)力蓄電池性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范要求(GB/T 31486-2015 電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池性能要求及試驗(yàn)方法)。

眾所周知鋰離子電池對(duì)于溫度相對(duì)敏感，溫度可以說(shuō)是電動(dòng)汽車(chē)鋰電池的殺手。一般鋰電池的工作溫度范圍集中在-20 ℃～200 ℃之間。不同材料鋰電池的低溫性能也有區(qū)別，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為普遍的磷酸鐵鋰電池，其高溫性能比較好，但是對(duì)于低溫則缺乏忍受力。對(duì)于一些品質(zhì)較好的產(chǎn)品，在-20 ℃時(shí)也只能釋放出80%的電能，而低于-40 ℃，則往往會(huì)導(dǎo)致電池被“凍傷”，出現(xiàn)內(nèi)部材料結(jié)晶的不可逆損壞。相對(duì)來(lái)說(shuō)，錳酸鋰、鈷酸鋰和三元產(chǎn)品的低溫性能要好一些，但是也有限；而高溫性能就不盡人意?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)說(shuō)磷酸鐵鋰安全性能高，高溫性能好，其實(shí)是沒(méi)有錳酸鋰、鈷酸鋰和三元電池的電池活性高，相對(duì)安全一些。整體性能還是不如錳鋰或三元電池。眾所周知三元材料電池優(yōu)點(diǎn)是：能量密度高、放電電壓高，致命性缺點(diǎn)是安全性差；三元鋰材料在200 ℃左右會(huì)發(fā)生分解，三元鋰材料的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，會(huì)釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致爆炸。所以目前動(dòng)力電池生產(chǎn)廠家也在不斷改進(jìn)三元鋰材料電池。

如圖1所示，從電池的應(yīng)用層面來(lái)看，乘用車(chē)、客車(chē)和專(zhuān)用車(chē)的比例與電池比例類(lèi)似，目前客車(chē)使用的電池還是以磷酸鐵鋰為主。磷酸鐵鋰技術(shù)成熟、安全性較高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，致命性缺點(diǎn)是低溫性能差；一塊容量為3 500 mAh的電池，在-20 ℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過(guò)不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至2 000 mAh。通常液態(tài)鋰離子電池極限能量密度為300 Wh/kg，且易燃易爆炸。而全固態(tài)鋰電池剛剛起步未來(lái)發(fā)展空間巨大，且不燃不爆炸。固態(tài)鋰電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)的電池。在構(gòu)造上，固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池簡(jiǎn)單[2]。固態(tài)電解質(zhì)除傳導(dǎo)鋰離子，也充當(dāng)了隔膜的角色。因此，在固態(tài)鋰電池中，電解液、隔膜與粘結(jié)劑PVDF等都不需要使用。工作原理上，固態(tài)鋰電池和鋰離子電池相通，充電時(shí)，正極中的鋰離子從活性物質(zhì)的晶格中脫嵌，通過(guò)固體電解質(zhì)向負(fù)極遷移，電子通過(guò)外電路向負(fù)極遷移，兩者在負(fù)極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負(fù)極材料中。放電過(guò)程與充電過(guò)程相反，此時(shí)電子通過(guò)外電路驅(qū)動(dòng)電子器件。由于固態(tài)鋰離子的諸多優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和電池廠家都在積極的研究發(fā)展這種電池。以下是國(guó)內(nèi)外固態(tài)鋰電池的現(xiàn)狀。

1 國(guó)外固態(tài)鋰電池現(xiàn)狀

進(jìn)入2017年后，國(guó)內(nèi)外企業(yè)加速固態(tài)電池商業(yè)化布局。意味著，2018年將有更多的企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域，而商業(yè)化進(jìn)程將有更清晰的時(shí)刻表。如圖2所示美國(guó)SEEO.公司研發(fā)了全固態(tài)鋰電池產(chǎn)品 ，該產(chǎn)品已經(jīng)被被德國(guó)博世集團(tuán)收購(gòu)。這種固態(tài)鋰離子電池由兩層電解液組成:一層是鋰離子導(dǎo)體層,另一層是用作電極之間的物理屏障,防止形成鋰枝晶，它的循環(huán)壽命> 1 000次充放電循環(huán)。這種新型電池能量密度可達(dá)到350 Wh/kg，大約是目前電動(dòng)車(chē)所使用電池的兩倍,并且十分安全[3]。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于提升電池的續(xù)駛里程和輕量化都有顯著效果。

圖3是日本開(kāi)發(fā)出全固態(tài)鋰電池實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品。這個(gè)固態(tài)電池原型，主要是由4層10 cm×10 cm大小的片狀結(jié)構(gòu)所組成，正負(fù)極與電池本體材質(zhì)的成分由鈷酸鋰、石墨與硫化物所組成，平均電壓為14.4 V，沒(méi)有液態(tài)類(lèi)物質(zhì)，在溫度高達(dá)100 ℃狀態(tài)下依然可以正常使用。但這里還有個(gè)導(dǎo)電效率的問(wèn)題，就是在制造過(guò)程中所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)讓電極與電池表面產(chǎn)生較大的阻抗。豐田為了解決此問(wèn)題，在正極與電池表面使用了一種陶瓷類(lèi)材料的鍍層，可減小99%的阻抗。這種豐田全固態(tài)電池電動(dòng)車(chē)計(jì)劃2022年量產(chǎn)上市。

2 中國(guó)全固態(tài)鋰電池的發(fā)展

我國(guó)固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史不長(zhǎng)，但發(fā)展很快(圖4)。2013年中科院設(shè)立了全固態(tài)鋰電池先導(dǎo)計(jì)劃。 提出要做長(zhǎng)續(xù)航的動(dòng)力電池，通過(guò)提升能量密度來(lái)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。中科院寧波材料所、中科院上海硅酸鹽所、青能所、天津十八所、清華大學(xué)、中科大、復(fù)旦大學(xué)、國(guó)防科大、武漢大學(xué)、東北師范大學(xué)等機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展各種全固態(tài)鋰電池研究。目前中國(guó)科學(xué)院正在追求提高全固態(tài)金屬鋰的安全性，并對(duì)逐漸增加固體電解質(zhì)和負(fù)極中的鋰含量這方面做進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，力圖兼顧全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)和液態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)，希望能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，逐步改善現(xiàn)有電池的技術(shù)[4]。中國(guó)長(zhǎng)春勁能科技集團(tuán)股份有限公司與全球唯一一家實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化的加拿大魁北克水電研究院合作并成立“全固態(tài)鋰電池亞洲研究院”，為全固態(tài)鋰電池在中國(guó)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)保證。他們生產(chǎn)的全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)如圖5所示，采用固體電解質(zhì)無(wú)隔膜結(jié)構(gòu)，國(guó)際公認(rèn)的高度安全性，能量密度可以達(dá)到250 Wh/kg,裝車(chē)?yán)锍?00 km。

圖6是長(zhǎng)春勁能科技集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的固態(tài)鋰電池技術(shù)參數(shù)，分別對(duì)質(zhì)量比能量密度、充放電倍率、循環(huán)壽命、最小單元、投資規(guī)模、適宜溫度范圍進(jìn)行了說(shuō)明。 可以看到勁能集團(tuán)生產(chǎn)的全固態(tài)鋰電池，有高比能量密度 250 Wh/kg，是傳統(tǒng)鋰電池的兩倍，一次充電可行駛600 km，在不改變傳統(tǒng)汽車(chē)的駕駛習(xí)慣的前提下，讓新能源汽車(chē)在中國(guó)的普及成為了可能。勁能集團(tuán)通過(guò)對(duì)電池材料的技術(shù)改良，解決了新能源汽車(chē)低溫運(yùn)行的世界難題，現(xiàn)有新能源汽車(chē)只能在中國(guó)南方地區(qū)使用，在北方地區(qū)一到冬天，電池性能降低50%以上，造成汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)和續(xù)駛里程大幅縮減，無(wú)法正常使用。勁能集團(tuán)動(dòng)力電池?zé)o需加熱模塊可在-40 ℃安全穩(wěn)定行駛，常溫能量比可維持90%以上。

為了推動(dòng)我國(guó)新能源汽車(chē)在高寒地區(qū)的發(fā)展普及，早在2016年9月動(dòng)力電池國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室作為共同主辦單位，舉辦了“高寒地區(qū)新能源車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇”，成立了“高寒地區(qū)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，舉辦我國(guó)首個(gè)以推動(dòng)高寒地區(qū)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高層論壇及相關(guān)活動(dòng)，共同拉開(kāi)了北方高寒地區(qū)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的序幕。 并于2017年10月發(fā)布了我國(guó)高寒地區(qū)純電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池性能標(biāo)準(zhǔn)的T/GHDD 1003-2017。在此標(biāo)準(zhǔn)中，主要補(bǔ)充制定了純電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池在-20 ℃、-30 ℃和-40 ℃溫度下的充放電性能指標(biāo)。本標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件除另有規(guī)定外，試驗(yàn)應(yīng)在指定攝氏溫度±2 ℃、相對(duì)濕度 5%～90%、大氣壓力 86～106 kPa 環(huán)境。測(cè)量?jī)x器、儀表準(zhǔn)確度要求如下：電壓測(cè)量裝置不低于 0.5 級(jí)；電流測(cè)量裝置不低于 0.5 級(jí)；溫度測(cè)量裝置±0.5 ℃；時(shí)間測(cè)量裝置準(zhǔn)確度為±0.1%。本標(biāo)準(zhǔn)所提到的室溫，是指 25±2 ℃[5]。

3 動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

各國(guó)政府紛紛提出了下一代鋰電池的研發(fā)目標(biāo)。如圖7所示，到2020年，多數(shù)研發(fā)目標(biāo)對(duì)于量產(chǎn)電芯確定的目標(biāo)是250～300 Wh/kg，將通過(guò)第三代鋰離子電池完成。中國(guó)、美國(guó)、日本政府提出希望在2020年展示能量密度達(dá)到400～500 Wh/kg的原型器件，在2025-2030年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。計(jì)算表明，采用金屬鋰負(fù)極的半固態(tài)、固態(tài)、全固態(tài)的鋰硫、鋰空電池有望實(shí)現(xiàn)高能量密度電池的目標(biāo)[6]。

表1是我國(guó)《動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)》2017指南。表中以液態(tài)鋰離子電池、高比容鋰硫電池和高比容固態(tài)鋰電池為例，就單體電池容量密度，循環(huán)壽命，安全性3個(gè)方面列出考核標(biāo)準(zhǔn)。

表1 我國(guó)《動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)》2017指南

考核標(biāo)準(zhǔn)液態(tài)鋰離子電池高比容鋰硫電池高比容固態(tài)鋰電池單體電池容量密度?300Wh/kg?400Wh/kg寬溫?300Wh/kg循環(huán)壽命?10000次100%DOD?500次100%D0D?2000次03C以上倍率先放電100%D0D安全性國(guó)際要求實(shí)現(xiàn)裝車(chē)考核，提交安全性質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)內(nèi)際)提案國(guó)際要求提交安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)內(nèi)或國(guó)際)提案國(guó)際要求實(shí)現(xiàn)裝車(chē)考核，提交安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)內(nèi)或國(guó)際)提案

動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展路線如圖8所示，液態(tài)鋰離子電池的循環(huán)性目前可達(dá)萬(wàn)次，并且預(yù)鋰化技術(shù)也逐漸成熟，但安全性仍是液態(tài)電池的一大弊端。未來(lái)的3～5年，首先能夠規(guī)模化生產(chǎn)的有可能是介于液態(tài)鋰電池和固態(tài)鋰電池之間的電池類(lèi)型，如半固態(tài)、固態(tài)鋰電池、正極一側(cè)含少量液體，負(fù)極一側(cè)含少量金屬鋰，此類(lèi)電芯的能量密度可達(dá)300～400 Wh/kg。著重需要關(guān)注的前沿問(wèn)題，鋰負(fù)極的保護(hù)，電極與電解液界面、及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。隨著循環(huán)性、安全性及綜合指標(biāo)的提升，逐漸減少液體電解質(zhì)比例，最終過(guò)渡到全固態(tài)鋰電池上。

4 我國(guó)動(dòng)力電池發(fā)展相關(guān)配套政策

動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的心臟。國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)動(dòng)力電池的發(fā)展十分重視，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年至今，涉及到動(dòng)力電池的重要政策超過(guò)十項(xiàng)，涵蓋新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用、動(dòng)力電池行業(yè)規(guī)。2017年補(bǔ)貼新政對(duì)動(dòng)力電池能量密度提出了要求，對(duì)于動(dòng)力電池行業(yè)發(fā)展的影響是顯而易見(jiàn)的。從今年已發(fā)布的三批新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄看，動(dòng)力電池的能量密度正在逐步提升。此外，推薦目錄中優(yōu)質(zhì)動(dòng)力電池企業(yè)配套的車(chē)型數(shù)量有明顯增多趨勢(shì)，這也意味著動(dòng)力電池市場(chǎng)格局正在發(fā)生變化，行業(yè)集中度正在增強(qiáng)[7]。

2016年12月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃中關(guān)于動(dòng)力電池領(lǐng)域的主要內(nèi)容有：建設(shè)具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈。大力推進(jìn)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)，著力突破電池成組和系統(tǒng)集成技術(shù)，超前布局研發(fā)下一代動(dòng)力電池和新體系動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)電池材料技術(shù)突破性發(fā)展。加快推進(jìn)高性能、高可靠性動(dòng)力電池生產(chǎn)、控制和檢測(cè)設(shè)備創(chuàng)新，提升動(dòng)力電池工程化和產(chǎn)業(yè)化能力。培育發(fā)展一批具有持續(xù)創(chuàng)新能力的動(dòng)力電池企業(yè)和關(guān)鍵材料龍頭企業(yè)。推進(jìn)動(dòng)力電池梯次利用，建立上下游企業(yè)聯(lián)動(dòng)的動(dòng)力電池回收利用體系。到2020年，動(dòng)力電池技術(shù)水平與國(guó)際水平同步，產(chǎn)能規(guī)模保持全球領(lǐng)先。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池正逐漸從鋰離子電池向高能量密度的半固態(tài)、固態(tài)、全固態(tài)的鋰硫、鋰空氣電池發(fā)展，以適應(yīng)高寒地區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池溫度的需求，提高電動(dòng)汽車(chē)使用的安全性和適用性能。我國(guó)也出臺(tái)了高寒地區(qū)純電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池性能標(biāo)準(zhǔn)(T/GHDD 1003-2017)，動(dòng)力電池發(fā)展相關(guān)配套政策也趨于完善。

[1] 李驕陽(yáng), 王莉, 何向明. 動(dòng)力鋰電池的未來(lái)發(fā)展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2016(3):25-30.

[2]許曉雄, 邱志軍, 官亦標(biāo),等. 全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2013(4):331-341.

[3]Takada K. Progress and prospective of solid-state lithium batteries[J]. Acta Materialia, 2013, 61(3):759-770.

[4]王瀟. 基于對(duì)全固態(tài)鋰電池技術(shù)的現(xiàn)狀研究與展望[J]. 電子世界, 2017(1):29-30.

[5]T/GHDD 1003-2017，我國(guó)高寒地區(qū)純電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池性能標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]鄭香偉. 新能源汽車(chē)動(dòng)力電池應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì), 2016(23):102.

[7]孫玉端.從14項(xiàng)動(dòng)力電池相關(guān)政策看產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[EB/OL].http://www.escn.com.cn/news/show-415611.html，2017-64-25.