寬溫動力電池的發(fā)展現狀與趨勢及相關政策*

佟麗珠 蔡文博 候麗春

(長春市汽車工業(yè)高等專科學校，吉林 長春 130013)

近年來，我國新能源汽車產業(yè)高速發(fā)展，綠色出行理念正在廣泛深入人心，一個全新的產業(yè)體系和消費觀念，逐步改變著汽車行業(yè)的發(fā)展格局。但是適應高寒環(huán)境的新能源汽車產業(yè)發(fā)展緩慢，嚴重制約了廣大高寒地區(qū)的應用普及[1]。客觀的實際情況是，能夠在南方地區(qū)正常使用并且性能優(yōu)越的電動汽車，大多數在高寒氣候環(huán)境下幾乎無法啟動，即使能夠行駛，續(xù)駛里程也會大打折扣，原因在于電動汽車的動力蓄電池受環(huán)境溫度影響較大。我國高緯高寒地區(qū)，全年結冰期達200天以上，全年氣溫低于零下30 ℃的嚴寒天氣有30多天。 高寒地區(qū)對電動汽車有著極大的市場需求，為了確保電動汽車在高寒氣候環(huán)境下能夠正常充電、啟動和行駛，并且能夠達到一定的續(xù)駛里程，就要對電動汽車的動力蓄電池在高寒環(huán)境下的性能提出更高的要求?，F行國家標準主要針對-20 ℃～55 ℃溫度范圍內的動力蓄電池性能指標進行了規(guī)范要求(GB/T 31486-2015 電動汽車用動力蓄電池性能要求及試驗方法)。

眾所周知鋰離子電池對于溫度相對敏感，溫度可以說是電動汽車鋰電池的殺手。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，目前國內應用最為普遍的磷酸鐵鋰電池，其高溫性能比較好，但是對于低溫則缺乏忍受力。對于一些品質較好的產品，在-20 ℃時也只能釋放出80%的電能，而低于-40 ℃，則往往會導致電池被“凍傷”，出現內部材料結晶的不可逆損壞。相對來說，錳酸鋰、鈷酸鋰和三元產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。現在業(yè)內說磷酸鐵鋰安全性能高，高溫性能好，其實是沒有錳酸鋰、鈷酸鋰和三元電池的電池活性高，相對安全一些。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)點是：能量密度高、放電電壓高，致命性缺點是安全性差；三元鋰材料在200 ℃左右會發(fā)生分解，三元鋰材料的化學反應更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應，導致爆炸。所以目前動力電池生產廠家也在不斷改進三元鋰材料電池。

如圖1所示，從電池的應用層面來看，乘用車、客車和專用車的比例與電池比例類似，目前客車使用的電池還是以磷酸鐵鋰為主。磷酸鐵鋰技術成熟、安全性較高，循環(huán)壽命長，致命性缺點是低溫性能差；一塊容量為3 500 mAh的電池，在-20 ℃的環(huán)境中工作，經過不到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)電解質的電池。在構造上，固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池簡單[2]。固態(tài)電解質除傳導鋰離子，也充當了隔膜的角色。因此，在固態(tài)鋰電池中，電解液、隔膜與粘結劑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，正極中的鋰離子從活性物質的晶格中脫嵌，通過固體電解質向負極遷移，電子通過外電路向負極遷移，兩者在負極處復合成鋰原子、合金化或嵌入到負極材料中。放電過程與充電過程相反，此時電子通過外電路驅動電子器件。由于固態(tài)鋰離子的諸多優(yōu)勢，因此國內外研究機構和電池廠家都在積極的研究發(fā)展這種電池。以下是國內外固態(tài)鋰電池的現狀。

1 國外固態(tài)鋰電池現狀

進入2017年后，國內外企業(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)進入該領域，而商業(yè)化進程將有更清晰的時刻表。如圖2所示美國SEEO.公司研發(fā)了全固態(tài)鋰電池產品 ，該產品已經被被德國博世集團收購。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到350 Wh/kg，大約是目前電動車所使用電池的兩倍,并且十分安全[3]。這項技術對于提升電池的續(xù)駛里程和輕量化都有顯著效果。

圖3是日本開發(fā)出全固態(tài)鋰電池實驗室產品。這個固態(tài)電池原型，主要是由4層10 cm×10 cm大小的片狀結構所組成，正負極與電池本體材質的成分由鈷酸鋰、石墨與硫化物所組成，平均電壓為14.4 V，沒有液態(tài)類物質，在溫度高達100 ℃狀態(tài)下依然可以正常使用。但這里還有個導電效率的問題，就是在制造過程中所產生的化學反應會讓電極與電池表面產生較大的阻抗。豐田為了解決此問題，在正極與電池表面使用了一種陶瓷類材料的鍍層，可減小99%的阻抗。這種豐田全固態(tài)電池電動車計劃2022年量產上市。

2 中國全固態(tài)鋰電池的發(fā)展

我國固態(tài)鋰離子電池產業(yè)發(fā)展歷史不長，但發(fā)展很快(圖4)。2013年中科院設立了全固態(tài)鋰電池先導計劃。 提出要做長續(xù)航的動力電池，通過提升能量密度來延長電動汽車的續(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、中科大、復旦大學、國防科大、武漢大學、東北師范大學等機構紛紛開展各種全固態(tài)鋰電池研究。目前中國科學院正在追求提高全固態(tài)金屬鋰的安全性，并對逐漸增加固體電解質和負極中的鋰含量這方面做進一步的開發(fā)，力圖兼顧全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點和液態(tài)鋰電池的優(yōu)點，希望能夠取長補短，逐步改善現有電池的技術[4]。中國長春勁能科技集團股份有限公司與全球唯一一家實現全固態(tài)鋰離子電池產業(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)鋰電池在中國產業(yè)化應用提供技術保證。他們生產的全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢如圖5所示，采用固體電解質無隔膜結構，國際公認的高度安全性，能量密度可以達到250 Wh/kg,裝車里程500 km。

圖6是長春勁能科技集團股份有限公司生產的固態(tài)鋰電池技術參數，分別對質量比能量密度、充放電倍率、循環(huán)壽命、最小單元、投資規(guī)模、適宜溫度范圍進行了說明。 可以看到勁能集團生產的全固態(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)汽車的駕駛習慣的前提下，讓新能源汽車在中國的普及成為了可能。勁能集團通過對電池材料的技術改良，解決了新能源汽車低溫運行的世界難題，現有新能源汽車只能在中國南方地區(qū)使用，在北方地區(qū)一到冬天，電池性能降低50%以上，造成汽車無法啟動和續(xù)駛里程大幅縮減，無法正常使用。勁能集團動力電池無需加熱模塊可在-40 ℃安全穩(wěn)定行駛，常溫能量比可維持90%以上。

為了推動我國新能源汽車在高寒地區(qū)的發(fā)展普及，早在2016年9月動力電池國家地方聯(lián)合工程實驗室作為共同主辦單位，舉辦了“高寒地區(qū)新能源車產業(yè)發(fā)展高層論壇”，成立了“高寒地區(qū)新能源汽車產業(yè)聯(lián)盟”，舉辦我國首個以推動高寒地區(qū)新能源汽車產業(yè)發(fā)展的高層論壇及相關活動，共同拉開了北方高寒地區(qū)新能源汽車產業(yè)快速發(fā)展的序幕。 并于2017年10月發(fā)布了我國高寒地區(qū)純電動汽車用動力蓄電池性能標準的T/GHDD 1003-2017。在此標準中，主要補充制定了純電動汽車用動力蓄電池在-20 ℃、-30 ℃和-40 ℃溫度下的充放電性能指標。本標準的環(huán)境條件除另有規(guī)定外，試驗應在指定攝氏溫度±2 ℃、相對濕度 5%～90%、大氣壓力 86～106 kPa 環(huán)境。測量儀器、儀表準確度要求如下：電壓測量裝置不低于 0.5 級；電流測量裝置不低于 0.5 級；溫度測量裝置±0.5 ℃；時間測量裝置準確度為±0.1%。本標準所提到的室溫，是指 25±2 ℃[5]。

3 動力電池產業(yè)未來發(fā)展趨勢

各國政府紛紛提出了下一代鋰電池的研發(fā)目標。如圖7所示，到2020年，多數研發(fā)目標對于量產電芯確定的目標是250～300 Wh/kg，將通過第三代鋰離子電池完成。中國、美國、日本政府提出希望在2020年展示能量密度達到400～500 Wh/kg的原型器件，在2025-2030年實現量產。計算表明，采用金屬鋰負極的半固態(tài)、固態(tài)、全固態(tài)的鋰硫、鋰空電池有望實現高能量密度電池的目標[6]。

表1是我國《動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個方面列出考核標準。

表1 我國《動力電池和電池管理系統(tǒng)》2017指南

考核標準液態(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安全性國際要求實現裝車考核，提交安全性質評價標準(國內際)提案國際要求提交安全性評價標準(國內或國際)提案國際要求實現裝車考核，提交安全性評價標準(國內或國際)提案

動力電池產業(yè)未來發(fā)展路線如圖8所示，液態(tài)鋰離子電池的循環(huán)性目前可達萬次，并且預鋰化技術也逐漸成熟，但安全性仍是液態(tài)電池的一大弊端。未來的3～5年，首先能夠規(guī)?；a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型，如半固態(tài)、固態(tài)鋰電池、正極一側含少量液體，負極一側含少量金屬鋰，此類電芯的能量密度可達300～400 Wh/kg。著重需要關注的前沿問題，鋰負極的保護，電極與電解液界面、及電池結構設計等方面。隨著循環(huán)性、安全性及綜合指標的提升，逐漸減少液體電解質比例，最終過渡到全固態(tài)鋰電池上。

4 我國動力電池發(fā)展相關配套政策

動力電池是新能源汽車的心臟。國家相關部門對動力電池的發(fā)展十分重視，據不完全統(tǒng)計，2016年至今，涉及到動力電池的重要政策超過十項，涵蓋新能源汽車推廣應用、動力電池行業(yè)規(guī)。2017年補貼新政對動力電池能量密度提出了要求，對于動力電池行業(yè)發(fā)展的影響是顯而易見的。從今年已發(fā)布的三批新能源汽車推廣應用推薦車型目錄看，動力電池的能量密度正在逐步提升。此外，推薦目錄中優(yōu)質動力電池企業(yè)配套的車型數量有明顯增多趨勢，這也意味著動力電池市場格局正在發(fā)生變化，行業(yè)集中度正在增強[7]。

2016年12月，國務院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃中關于動力電池領域的主要內容有：建設具有全球競爭力的動力電池產業(yè)鏈。大力推進動力電池技術研發(fā)，著力突破電池成組和系統(tǒng)集成技術，超前布局研發(fā)下一代動力電池和新體系動力電池，實現電池材料技術突破性發(fā)展。加快推進高性能、高可靠性動力電池生產、控制和檢測設備創(chuàng)新，提升動力電池工程化和產業(yè)化能力。培育發(fā)展一批具有持續(xù)創(chuàng)新能力的動力電池企業(yè)和關鍵材料龍頭企業(yè)。推進動力電池梯次利用，建立上下游企業(yè)聯(lián)動的動力電池回收利用體系。到2020年，動力電池技術水平與國際水平同步，產能規(guī)模保持全球領先。

5 結語

國內外動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，以適應高寒地區(qū)對電動汽車電池溫度的需求，提高電動汽車使用的安全性和適用性能。我國也出臺了高寒地區(qū)純電動汽車用動力蓄電池性能標準(T/GHDD 1003-2017)，動力電池發(fā)展相關配套政策也趨于完善。

[1] 李驕陽, 王莉, 何向明. 動力鋰電池的未來發(fā)展[J]. 新材料產業(yè), 2016(3):25-30.

[2]許曉雄, 邱志軍, 官亦標,等. 全固態(tài)鋰電池技術的研究現狀與展望[J]. 儲能科學與技術, 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. 基于對全固態(tài)鋰電池技術的現狀研究與展望[J]. 電子世界, 2017(1):29-30.

[5]T/GHDD 1003-2017，我國高寒地區(qū)純電動汽車用動力蓄電池性能標準[S].

[6]鄭香偉. 新能源汽車動力電池應用現狀及發(fā)展趨勢[J]. 內蒙古科技與經濟, 2016(23):102.

[7]孫玉端.從14項動力電池相關政策看產業(yè)發(fā)展趨勢[EB/OL].http://www.escn.com.cn/news/show-415611.html，2017-64-25.