鉅大LARGE | 點擊量：498次 | 2022年11月30日
電動汽車的發(fā)展路線和下一代動力鋰電池有設么關系
2018年11月8日，以“新時代·破而立：前行中的產(chǎn)業(yè)轉折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。中國工程院院士楊裕生在CBIS2018“鋰想”峰會上發(fā)表主題演講，以下為演講內(nèi)容。
中國工程院院士楊裕生：
今天講“電動汽車的發(fā)展路線與下一代動力電池”。為什么要把電動汽車的發(fā)展路線和下一代動力電池連在一起來講？因為我一直認為，什么樣的電動汽車的路線就應該發(fā)展什么樣的動力電池，這是兩個相關的問題。
講三個問題：第一，發(fā)展路線與電池；第二，純電動汽車的路線的下一代電池。第三，增程式路線的下一代電池。
先講幾個觀點：第一，電動汽車和動力電池相互依存、相互促進，這個大家都可以理解，但是相互制約提的不多。第二，按電池水平來做電動汽車。舉個例子，鎳氫電池做PRIUS的混動，這是日本的豐田到去年的8月份已經(jīng)銷售1千萬輛的車子，今年又有大的增長，這個電池用的很好，比能量只有50多瓦時/公斤。所以不是說一定要追求高比能量才能做出好的車子。第三，電池真正的進步才能推動電動汽車水平的提高，冒進就要吃苦。就是說電池如果不成熟，實際上是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)的電池，如果把它大量的用在汽車上，就要出問題。第四，電動汽車的主要矛盾是安全和里程的對立。這是我提出來的一個觀點。第五，安全性是矛盾的主要方面，里程是次要方面，不可顛倒。我們學過毛主席的矛盾論，都要講認可事物都要分析它的主要矛盾，矛盾當中主要方面跟次要方面也要分清楚，如果不分清楚，把主要矛盾、次要矛盾搞錯了，最后我們就要走彎路。主要矛盾反映在電池上，是危險性與比能量的矛盾，電池的危險性制約“電動汽車里程隨心所欲提高”，我這里講的隨心所欲提高是我們現(xiàn)在每年都在提高要求。瞄準了250公里、300公里、400公里，現(xiàn)在還想沖擊500公里，這就是隨心所欲。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第一個問題，電動汽車發(fā)展路線和電池。
國家科技部的“三縱”路線最初提出是“純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車”，后來混合動力汽車就改成了插電式電動汽車，后來插電式電動汽車又改成增程式電動汽車，這個變化前后大概10年的時間，增程式是今年1月份的電動汽車百人會上萬鋼副主席正式宣布的，新的“三縱”是增程式代替了“插電式”。
為什么會有這樣的變化？說的不好聽就“心中無數(shù)，重點不清，路線搖擺”。不同的電動汽車的發(fā)展路線需要不同的電池，對下一代動力電池技術的要求也不同，所以從這樣一個觀點出發(fā)來談我今天的一些認識。
路線當中的燃料電池今天不談了，因為燃料電池現(xiàn)在的功率跟不上車的變化，已經(jīng)變成一種增程器，它可以提高能量，但是它不是直接去推動電動汽車，而且現(xiàn)在是靠補貼在那里發(fā)展，遠遠沒有進入市場化的階段。
10年來我的主張是，我提了一個原則，要有安全成熟的電池發(fā)展節(jié)能減排的電動汽車，技術路線兩條，一個是微小型純電動車作為突破口，第二句話是，大眾型車發(fā)展純電驅動的增程式。微小型電動車可以用鉛酸電池做低速車，也可以用鋰離子電池做高速車，這個由市場決定。增程式電動車解決了純電動車的五大焦慮。它是市場化最為可行的一個車種。
現(xiàn)在我的主張逐漸被接受了，很不容易，十年了。科技部剛才說1月份把它列入新“三縱”，國家發(fā)改委7月，在《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定（征求意見稿）》當中，把增程式列入到純電動汽車內(nèi)?，F(xiàn)在企業(yè)也在紛紛做小型車或者發(fā)展增程式技術增程器
第二個問題，純電動汽車路線下的下一代電池。
長里程的純電動汽車有五大焦慮：1，里程焦慮，需要多帶電池，仍然怕斷電，電池多了車子就重，加上夏天空調(diào)嚴重縮短里程。2，安全焦慮，電池多要求比能量又要高，危險性大，燃燒爆炸的事故多。3，充電焦慮。充電樁要密，既費錢，要地，很難符合要求。4，價格焦慮，電池用量大了，價格就高，競爭力就低。5，電池焦慮，因為電池的壽命短于整車，第一套電池有補貼，第二、第三套電池就要自己花錢。補貼停了之后，里程越長，原來補貼越高的車就越難賣出去。像比亞迪E6700公斤的電池，下降到30幾萬，補貼停止之后賣這個車就就很困難。目前耗電少、里程有限的微小型車，或者像A0級甚至于A00級的車。
要追求長里程就要用比能量高的電池，這樣就要犧牲安全性。按這些觀點來看，我們純電動車的電池下一代應該怎么做，現(xiàn)在三元電池一再提高比能量，這樣的做法對不對？
電池組像汽油箱那樣，是一種含高能物質的部件。鋰離子電池中的電解液是用易燃的溶劑配置而成。正極氧化劑和負極還原劑只隔一層微米極厚的隔膜，內(nèi)短路就很容易發(fā)生，內(nèi)短路就要發(fā)生熱量，充放電的時候電池熱阻也發(fā)生熱量，當溫度達到一定的時候，正極產(chǎn)品氧化劑就容易與電解液發(fā)生化學反應。今天我們理事長也講到，現(xiàn)在有一類電池，當溫度升高到50度以后，電池放在那里自己就會溫度不斷升高。所以三元材料應該重視，三元材料在一定溫度之下會分解放出氧，這個氧不一定是氣體，可能是一種很活潑的初生態(tài)的氧。北大的教授也做了實驗證明有負一價的氧產(chǎn)生。大量的化學反應就造成熱失控，電池就會燃燒甚至爆炸。
正極的氧化劑不同發(fā)生熱失控的溫度不同。這張圖是美國三家實驗室做的，可以看到，鎳鈷鋁正極大概在200多的時候發(fā)生溫度的急劇上升，而333三元大概到230度，錳酸鋰正極電池要到250度，磷酸鐵鋰電池溫度升高速度開始比較大，到了一定的時候升溫速度就會降下來。正極材料熱失控溫度越低，電池材料的安全性越差。
特斯拉用三元電池去年年底已經(jīng)燒了十幾輛車，他可以叫“燒車的冠軍”，今年特斯拉又燒了4輛車，就在5月份燒了2輛車，燒死了3個人、燒傷了1個人，在美國2個人燒死了，在瑞士一個德國人燒死了。三元鋰離子電池火勢蔓延太猛，來不及逃生，外面的人來不及救人。三元里例子電池針刺實驗過不了關，針刺實驗是我們原來國家標準里面的必要實驗，現(xiàn)在把這個實驗已經(jīng)放在一邊了，而且允許乘用車上敞開使用。我們國家今年已經(jīng)燒了38輛車，90%以上是乘用車，主要是用的三元。這個數(shù)統(tǒng)計的是不準確的，因為這是深圳一家公司給我提供的。現(xiàn)在已經(jīng)形成了以提高比能量為首要指標的“慣性思維”。所以鎳鈷錳比例從333、523、622到811，危險性不斷的在增加?，F(xiàn)在采取許多措施來提高安全性，成組之后它的比能量并不是很高，比如三元現(xiàn)在成組能夠到160瓦時的多一點，而磷酸鐵鋰現(xiàn)在有的公司已經(jīng)做到150瓦時/公斤，單體做到180瓦時。
不是說一定要去追求做三元，大概兩個多月以前我發(fā)表了一篇文章，要大力發(fā)展磷酸鐵鋰電池，網(wǎng)上轉載了，很多人支持，但是也有人反對，我覺得這個都很正常，從不同的角度來探討應該怎么發(fā)展電池的問題。今天我這個觀點也希望大家還可以再討論。
第二個是，全固態(tài)鋰離子電池。這是針對鋰離子電池燃燒、爆炸頻發(fā)產(chǎn)生的下一代電池。固態(tài)電解質除了自身的電導率之外，最要害的是其與活性物質之間的界面電阻隨充放電而增加，這是由于活性物質在充放電時必然的體積漲縮而脫離電解質，也是正極材料掉不可避免的，包括負極材料也有這個問題。界面的穩(wěn)定性是全固態(tài)電池的一個最根本的問題，除非將來能夠做到像橡皮那樣的全固態(tài)電解質，它是可以有很大的彈性，隨著活性物質的變化而來變化。
現(xiàn)在研究者降低了調(diào)門，不叫全固態(tài)了，改成“固態(tài)電池”，實際上是半固態(tài)或準固態(tài)，還是要加點電解液，比功率、壽命、成本都還有問題，效果如何，拭目以待。
后鋰離子電池，這是日本人提出來的名稱，叫鋰硫電池，又稱下一代動力電池。它的理論比能量高，但是從比能量看也是有片面性的，它有安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉換率低、循環(huán)次數(shù)低，這“五低”問題真正解決之后才能用到車上，還要做很大努力。
下一代是鋰空氣電池，比能量達到700瓦時/公斤，這樣汽車里程就可以趕上燃油車了，這個事情很微妙，但是問題更多，很可能是遠水解不了遠渴。也有五個問題，問題比鋰硫問題更大，要成為動力電池更加渺茫。
第三個問題，增程式路線下的下一代電池。
第一代增程式是純電動汽車上面裝了一個增程器，就是車上發(fā)電在給電池充電。第二代是把電力系統(tǒng)和電池進行了優(yōu)化，所以電動機的功率和電池都減半了，車子減輕了。它的優(yōu)點很突出，電池組不會過充和過放，壽命延長、安全性高，電池少，補貼退坡取消的影響小，易市場化。城市工況下必然有車節(jié)油50%以上，用戶可以省錢，他可以不充電，免建充電樁，如果有充電條件，節(jié)油率可以在80%以上。燃油車的生產(chǎn)設施、加油設施全部可以繼承，便于發(fā)展?，F(xiàn)在我們提出第三代增程式，叫發(fā)電直驅增程式，就是發(fā)電機發(fā)的電是不經(jīng)過電池組，直接給電動機，這樣更加節(jié)能，電池更少，電池壽命更長。
磷酸鐵鋰比能量已經(jīng)很高，磷酸鐵鋰電池可以有高倍率放電，壽命可以達到萬次，價格在下降，滿足第二代增程式的要求。第三代增程式的電池用量少，為了接受評測時候發(fā)電機的性能，吸納剎車初始時的回饋電能，要求下一代電池應該具有高倍率的充電能力。
我提出發(fā)展電容性鋰離子電池，就是在正極材料里面要加活性碳。我們觀察到這樣的電池倍率性提高，電池壽命延長，低溫性能改善，充放電的電壓小100多毫伏，這個里面沒有加碳的充放電的兩根線的距離比較大，加了碳之后充放電的兩根線的距離就大大縮小。說明了電容在里面起了好的作用?；钚蕴砍袚舜蟛糠蛛娏?，使得電池的車輛啟動和剎車時候免于大電流對磷酸鐵鋰材料的沖擊。
高倍率電池的關鍵在新材料，富鎳材料主要是不長枝晶，高比容量，長壽命，方向是硬碳或硬碳+納米硅，電導率高，中孔率高，密度高，純度高，比表面高，性能比高，相互制約，尋求最佳途徑?？讖揭m用于不同枝晶陰離子的擴散和建立雙電層電容。我們在張家港公司研制成功的最低孔徑5nm—100nm任意可控的碳氣凝膠，可滿足尋求最佳孔徑的標準。
有人說增程式車還是要燒油，不是最終目標，我要提醒注意兩個問題，1，如果我們的汽車油耗降到一半以下，年僅有2億噸，環(huán)境改善了，能源安全提高，我國由汽車大國向汽車強國邁向一大步，全國人民都可以高興。2，純電動車未必是最終目標，裝電池多、重，車子重、好又多，特斯拉在新加坡受到罰款，所以應該考慮全過程的節(jié)能減排，不是在電動汽車行駛過程這么一段的節(jié)能減排的問題。
未來的增程式電動車可以不燒油，不增加二氧化碳排放，可以從太陽能來發(fā)電給電動汽車提供能量。同時秸稈、甜高粱這一類有機物產(chǎn)生乙醇，再給乙醇的發(fā)動機發(fā)電提供能量，這樣增程式就全部靠太陽能來發(fā)動。
所以增程式不是向純電動汽車的過渡，而是未來汽車的主力。
最后幾句話：1，電動汽車必須安全第一，電池的安全性一定要高。2，鋰離子電池的方向和電動汽車要同步發(fā)展。所以現(xiàn)在的純電動車主要有三元電池，第二代增程式有磷酸鐵鋰，第三代增程式就應該發(fā)展電容性磷酸鐵鋰電池。3，電容型磷酸鐵鋰動力電池以碳氣凝膠和新型硅炭復合材料為關鍵材料，是下一代動力電池。
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