鉅大LARGE | 點擊量：886次 | 2019年01月22日
動力電池目前面臨的問題是什么
文章開始前，先問大家一個問題：我們?yōu)槭裁匆ヌ岣唠姵啬芰棵芏龋看鸢钙鋵嵑芎唵危航箲]，準(zhǔn)確的講是里程焦慮。我們希望通過能量密度的提升來獲得更高的續(xù)航里程。
在國家政策的扶持下，我國動力電池取得了很大的進步，關(guān)鍵性能指標(biāo)提高、成本下降，電池成組、BMS（電池管理系統(tǒng)）技術(shù)取得了一定的進步。按照科技部部長萬鋼給出的數(shù)據(jù)，目前純電動乘用車產(chǎn)品的續(xù)駛里程高于300公里的比例達到81%，系統(tǒng)能量密度140Wh/kg以上的產(chǎn)品已經(jīng)成為主流，單體能量密度發(fā)展更快，基本上超過250Wh/kg，有些已經(jīng)達到了300Wh/kg的預(yù)定目標(biāo)。
但是在這樣的成績的背后仍存在許多疑問：目前鋰電技術(shù)存在哪些問題？未來動力電池發(fā)展趨勢是什么？高比能材料研究進展如何？
電池安全問題
「鋰電池具有成為動力電池主流技術(shù)的潛質(zhì)，但瓶頸是高比能量動力電池的安全性」。在今年的百人會上，中國科學(xué)院院士歐陽明高一開場就直奔主題。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
此前，國家補貼門檻提高，三元鋰逐漸取代磷酸鐵鋰成為主流，電池能量密度以及整車?yán)m(xù)航里程得到很大的提升，但是在這種增幅背后卻隱藏著危險——熱失控。
首先簡單了解一下什么是熱失控（主要是高溫?zé)崾Э兀簞恿﹄姵卦诠ぷ鞯臅r候會發(fā)熱，正常情況下可控，但是在電池溫度過高或充電電壓過高時，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會接連發(fā)生，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使電池內(nèi)壓及溫度急劇上升，進而引發(fā)電池?zé)崾Э?，發(fā)生爆炸or燃燒。
造成熱失控的原因很多，主要從兩個方面來說：內(nèi)因和外因。
內(nèi)因：本身材料、制造工藝會對電池性能產(chǎn)生影響，使單體電池狀態(tài)（SOC等）存在差異、電池使用時間過長，存在析鋰、隔膜融化等現(xiàn)象造成內(nèi)短路，進而導(dǎo)致熱失控；
外因就比較多，過充過放、車輛使用老化可靠性降低、充電不規(guī)范、密封不好、碰撞……
為了讓電池可以穩(wěn)定工作，需要對原材料以及制造工藝進行品質(zhì)控制，從內(nèi)部保持生產(chǎn)的一致性；但即便如此也無法完全保證，這就需要BMS（電池管理系統(tǒng)）從外部來控制電池組的溫度，以便讓電池發(fā)揮最佳效率。
現(xiàn)在的電動車為追求高能量密度高續(xù)航，將電池中的隔膜厚度進行削減，給電池安全造成了一定的安全隱患，很容易造成熱失控，除此之外，國家補貼政策的快速調(diào)整與動力電池系統(tǒng)開發(fā)周期不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致產(chǎn)品無法得到充分驗證，進而產(chǎn)生安全隱患。
如何在提高電池能量密度的同時保證電池安全，是當(dāng)下需要解決的問題。
未來電池的發(fā)展方向
除了要著眼于現(xiàn)在，從業(yè)者的目光還是要放的長遠(yuǎn)一些。
「一個行業(yè)共識是，傳統(tǒng)液態(tài)介質(zhì)鋰電池的能量密度不可能大幅度提升，未來3-5年，三元鋰電池會達到技術(shù)的瓶頸」。這是天際汽車董事長兼CEO張海亮在百人會上分享的觀點。
在這種情況下，哪種形式的電池又會是研究主流呢？
固態(tài)電池？
固態(tài)電池其實并不算一種完全的技術(shù)革新，只是將現(xiàn)有鋰電池中的隔膜或電解液用可傳導(dǎo)鋰離子的固態(tài)電解質(zhì)替代，結(jié)構(gòu)上稍有差異，但工作原理幾乎一致，相對而言，固態(tài)電池要比傳統(tǒng)鋰電池安全一些，且能量密度較高。
按照歐陽明高給出的展望，電池正極發(fā)展方向是減鈷到無鈷，負(fù)極將是加硅，硅的含量將逐步提升，甚至是全硅。電解質(zhì)要減少有機溶劑，逐步提高鋰鹽的濃度，未來可能要開發(fā)全固態(tài)電解質(zhì)，但是全固態(tài)電解質(zhì)目前還有很多技術(shù)瓶頸需要克服，大規(guī)模商業(yè)化估計在2025-2030年（以后）。
免管理電池（MFB）是終極解決方案？
魚與熊掌不可兼得。電池材料在反應(yīng)活性和穩(wěn)定性上存在一個固有矛盾，活性大性能好衰減也快，穩(wěn)定性好的活性較差。「我們做電池的科學(xué)家跟工程師，基本上每天是在玩折中的游戲?！官e夕法尼亞州立大學(xué)教授王朝陽這樣說道。
在他看來，既然現(xiàn)有材料無法實現(xiàn)我們在反應(yīng)活性和穩(wěn)定性上的要求，那就應(yīng)該去建立新的電池體系：第一步將材料鈍化，增加電池內(nèi)阻，保證電池安全，通過熱刺激方式迅速調(diào)制電化學(xué)動力特性，讓電池輸出高功率；第二步，在原有電池結(jié)構(gòu)中加入一個鎳片（厚度僅5微米），連通正負(fù)極形成回路，可以使電池迅速升溫。有多快呢？每秒2-5度，從25度到60度，只需要7秒的時間。王朝陽說這個電池的熱管理很簡單，將來甚至不需要主動熱管理，自然對流就可以。
其實這并不是最新技術(shù)，早在兩年前王朝陽就將其發(fā)表在《自然》期刊上。就在去年，搭載該技術(shù)的車子已經(jīng)進行過一次實驗，近期將會去做第二次實驗。
高容量富鋰正極材料？
高能量密度動力電池如果要達到300Wh/kg，正極容量就要達到200mAh/g，如果能量密度達到400Wh/kg，正極材料就要超過250mAh/g，如果考慮到密度，可能要達到270mAh/g以上。已經(jīng)商業(yè)化的正極材料如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等，他們的比能量難以滿足400Wh/kg鋰離子動力電池能量的密度要求。計算表明，要構(gòu)筑比能量達到400Wh/kg的鋰離子電池，采用高比容量富鋰氧化物正極材料和硅負(fù)極是可行的技術(shù)路線。
這是北京大學(xué)教授夏定國給出的觀點。
去年11月，夏定國團隊制備出一種O2構(gòu)型的錳基富鋰動力電池正極材料，放電比容量達到400mAh/g以上（比能量密度1380Wh/kg以上）。
在研發(fā)初期，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)這種材料有充放電效率較低、倍率性能不夠好、循環(huán)穩(wěn)定性較差、充放電過程中會出現(xiàn)持續(xù)的電壓衰減等問題。在后期，夏定國團隊通過表面修飾、電子結(jié)構(gòu)調(diào)整等方式進行過電池優(yōu)化，提高了材料的穩(wěn)定性。
但是材料本身還存在電壓滯后等問題，需要進一步的研究實驗。也就是說，這種材料從實驗室到真正走入現(xiàn)實還有比較長的一段路要走。
小結(jié)一下
總的來說，目前動力電池存在的最主要問題是，隨著能量密度的提高，熱失控幾率呈上升趨勢。從整個發(fā)展規(guī)劃來看，動力電池發(fā)展路線將會是這樣：正極減鈷到無鈷、負(fù)極加硅、電解質(zhì)減有機溶劑，逐步向全固態(tài)的方向發(fā)展。在補貼逐漸退出，國家逐步取消對續(xù)駛里程、能量密度等細(xì)節(jié)要求之后，技術(shù)的決策權(quán)將回到企業(yè)，市場則會對產(chǎn)品進行選擇。
