——中國電科十八所化學(xué)與物理電源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室常務(wù)副主任丁飛
8月7日，由華北電力大學(xué)、中國可再生能源學(xué)會(huì )主辦的“第一屆中國儲能學(xué)術(shù)論壇暨風(fēng)光儲創(chuàng )新技術(shù)大會(huì )”在北京召開(kāi)，會(huì )議為大力推廣風(fēng)能、太陽(yáng)能、儲能創(chuàng )新技術(shù)，推動(dòng)風(fēng)光互補、太陽(yáng)能+儲能、風(fēng)光儲技術(shù)以及智能微電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合能源服務(wù)領(lǐng)域的應用；搭建風(fēng)能、太陽(yáng)能與儲能產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)、創(chuàng )新應用的交流與合作平臺，推進(jìn)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)補貼平價(jià)上網(wǎng)項目技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)儲能技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng )新。
主旨報告環(huán)節，中國電科十八所化學(xué)與物理電源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室常務(wù)副主任丁飛作了題為“動(dòng)力電池發(fā)展現狀及趨勢”的報告。
各位老師、同學(xué)，大家下午好！非常高興有這個(gè)機會(huì )跟大家一起交流匯報一下我這里做的一些工作。我們中國電科十八所和力神公司都是長(cháng)期從事化學(xué)電源工作的單位，今天是儲能的論壇，現在動(dòng)力電池跟儲能電池用電體系非常接近，我想今天把動(dòng)力電池的事情給大家匯報清楚了，儲能電池也基本就清晰了。
這是我匯報的主要內容：首先介紹一下動(dòng)力電池國內外進(jìn)展情況，最后再說(shuō)一下儲能電池“十二五”以來(lái)的一些進(jìn)展以及后面“十四五”的一些目標。
首先來(lái)看一下，IEA 2018年對新能源汽車(chē)的預測，政策支持和動(dòng)力電池成本不斷下降的情況下，加上我們現在環(huán)境不斷變化的壓力，有可能到2030年的時(shí)候全球所有汽車(chē)里面有30%的車(chē)要實(shí)現電動(dòng)化。
上午幾位老師都提到了我們國家新能源汽車(chē)，我們國家新能源汽車(chē)應該是在國際上發(fā)展最快的，一方面是可再生能源用電來(lái)驅動(dòng)，另外一方面很重要的原因就是，目前我們的石油有60%都是給車(chē)燒掉了，加上其他一些動(dòng)力系統，80%以上的石油都是給汽車(chē)、其他動(dòng)力在使用。而我們的石油儲備只有40天，所以實(shí)際上從安全角度來(lái)講，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是非常急迫的事情。
現在我們國家電動(dòng)汽車(chē)、新能源汽車(chē)研發(fā)體系、產(chǎn)業(yè)體系都已經(jīng)相對比較成熟了，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，我們新能源汽車(chē)應用推廣是世界第一的，我們的目標是在2020年的時(shí)候，希望能夠產(chǎn)銷(xiāo)量達到200萬(wàn)輛，2025年的時(shí)候新能源汽車(chē)站汽車(chē)總銷(xiāo)量的20%以上。
我們來(lái)看一下，什么樣的電池是一個(gè)完美的動(dòng)力電池，這里面有一些指標，比如說(shuō)高的能量密度、高的功率密度、高的安全性、長(cháng)的循環(huán)壽命等等。顯然我們現在還有很多技術(shù)和科學(xué)上的問(wèn)題要去繼續解決，比如我們要不斷提高現有電池的能量密度，從現在的200多瓦時(shí)/公斤，提升到400瓦時(shí)/公斤，可以把汽車(chē)續航成提高一倍，上午也說(shuō)了，現在電池還有好多安全性問(wèn)題，在后面“十四五”里面重點(diǎn)要解決這個(gè)，或者進(jìn)一步提升動(dòng)力電池的安全性。再一個(gè)，“十四五”的時(shí)候也沒(méi)有提出一個(gè)目標，希望所有的電動(dòng)車(chē)都能夠實(shí)現10分鐘充電80%的目標。
基于剛才對未來(lái)的市場(chǎng)趨勢，研究動(dòng)力電池主要的國家像日本、美國、德國都在開(kāi)展這方面的工作以及相應的國家規劃。日本鋰離子電池除了一方面提高現有的鋰離子電池能量密度，也不停的開(kāi)發(fā)下一代電池。美國他們的電池研究路線(xiàn)原本是相對比較保守的，6年的時(shí)候他提出了一個(gè)技能，他用5年時(shí)間去搜集有沒(méi)有一種可能性把電池的能量密度提升到500瓦時(shí)公斤，已有的鋰離子電池能夠支撐400瓦時(shí)/公斤的能量密度。德國對動(dòng)力電池研究，除了對不同的材料和電能體系有它的工作之外，對電池的可靠性，生產(chǎn)中的質(zhì)量可靠性這方面也做了更多的工作。
這里特別提一下，在2018年的時(shí)候，日本結合了豐田、本田、日產(chǎn)在內的23家汽車(chē)電池材料的企業(yè)還有相關(guān)的研究所，一共投入了100億日元，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)下一代的動(dòng)力電池汽車(chē)。后面我會(huì )再給大家介紹一下固態(tài)電池相關(guān)的情況。
從上面的分析來(lái)看，因為基于剛才所說(shuō)的未來(lái)的需求，實(shí)際上動(dòng)力電池已經(jīng)成為一個(gè)各個(gè)地方的像動(dòng)力電池技術(shù)強國分秒必爭的一個(gè)戰場(chǎng)，大家希望都能夠在這個(gè)技術(shù)上搶先占據制高點(diǎn)。
我們國家在動(dòng)力電池實(shí)際也布置了很詳細的國家科技規劃，比如節能與新能源汽車(chē)的國家規劃、“十三五”計劃新能源汽車(chē)重點(diǎn)方向，“中國制造2025”“汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(cháng)期發(fā)展規劃”，得對電池的技術(shù)發(fā)展制訂了詳細的路線(xiàn)圖，比如中國制造從2025年到2030年都有詳細的路線(xiàn)，總的來(lái)看目前我們動(dòng)力電池的發(fā)展也是按照它的動(dòng)力電池路線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。
比如科技部“十三五”關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)重點(diǎn)研發(fā)方向的動(dòng)力電池安排，包括了電池、電機、電控三大方面，都囊括在里面了，在電池里面重點(diǎn)是要突破動(dòng)力電池的新材料、新體系，高比能鋰離子電池、高功率電池、動(dòng)力電池系統、測試評估等相關(guān)的方法?？偟哪繕?，產(chǎn)業(yè)化的目標，鋰離子電池技術(shù)要達到300瓦時(shí)/公斤，動(dòng)力電池系統210瓦時(shí)/公斤。
在2018年的時(shí)候，我們對整個(gè)“十三五”項目進(jìn)行了中期的檢查或者監督，基本上我們現在這個(gè)項目進(jìn)展的比較順利，應該說(shuō)可以實(shí)現剛才的目標。同時(shí)，像汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )已經(jīng)開(kāi)始組織2035年前的新能源汽車(chē)路線(xiàn)圖，在9個(gè)專(zhuān)項里面其中有4個(gè)專(zhuān)項是與動(dòng)力電池相關(guān)的，我們十八所和中科院物理所在聯(lián)合牽頭做動(dòng)力電池技術(shù)路線(xiàn)。
下面說(shuō)一下動(dòng)力電池具體技術(shù)上的一些進(jìn)展情況。
在過(guò)去的三個(gè)“五年計劃”里面，我們的動(dòng)力電池伴隨著(zhù)整個(gè)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們經(jīng)過(guò)了從最早的鈷酸鋰動(dòng)力電池體系，經(jīng)過(guò)中間的磷酸鐵鋰，現在基本上已經(jīng)穩定為三元電池為主，兼顧磷酸鐵鋰這么一個(gè)電池的主體系?，F在我們這些電池從最初的130瓦時(shí)/公斤，已經(jīng)發(fā)展到現在250瓦時(shí)/公斤，現在高一點(diǎn)做到220瓦時(shí)/公斤，可以說(shuō)很好的支撐我們對混合動(dòng)力、動(dòng)力電池相關(guān)的技術(shù)要求。
目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的電池的一些體系，比如磷酸鐵鋰、石墨的體系，特點(diǎn)就是成本比較低，能量密度可以做到180瓦時(shí)/公斤，目前主要在大巴車(chē)上使用。鈷酸鋰和石墨，它的特點(diǎn)就是成本比磷酸鐵鋰略高一點(diǎn)，但是它的一些性能比磷酸鐵鋰好，它也是用在大巴上，尤其是混合動(dòng)力上鈷酸鋰用得更多一點(diǎn)。
下面幾行都是三元的體系，三元電池的體系它的能量密度在250瓦時(shí)/公斤或者往上一點(diǎn)，主要用在乘用車(chē)里面、平時(shí)的私家車(chē)里。
我整理了一下2014—2018年乘用車(chē)領(lǐng)域所使用的動(dòng)力電池變化的情況，對乘用車(chē)混合動(dòng)力，2014年的時(shí)候是磷酸鐵鋰為主，到現在基本上以三元材料為主。純電動(dòng)2014年是磷酸鐵鋰占70%，第一批的電動(dòng)車(chē)基本都是磷酸鐵鋰的，現在看純電動(dòng)車(chē)的車(chē)擁車(chē)90%以上都是用三元的材料，現在咱們在市面上新出的300公里以上的車(chē)，能量密度也從最初的90瓦時(shí)、100瓦時(shí)，提升到現在的系統平臺技術(shù)，大概在120瓦時(shí)/公斤左右。
對于乘用車(chē)，早期也是磷酸鐵鋰為主，現在混合動(dòng)力基本上采用了鈷酸鋰這個(gè)體系，乘用車(chē)也是，早期磷酸鐵鋰占了很大比例，現在也有一部分鈷酸鋰體系。
我們電池系統能量密度的變化，實(shí)際上磷酸鐵鋰的能量密度跟三元密度是接近的，大概都在120瓦時(shí)/公斤，實(shí)際上三元的能量密度比磷酸鐵鋰高很多，主要因為三元用在小車(chē)里面，小車(chē)受到空間和一些要求比較高的制約，三元電池的成本效率相對要比在大巴車(chē)的成本效率低，所以最后綜合起來(lái)能量密度這兩個(gè)體系，單看能量密度是相同的，120瓦時(shí)/公斤左右。
下面幾頁(yè)說(shuō)了一下現在動(dòng)力電池一些具體的技術(shù)情況。剛剛說(shuō)了，現在動(dòng)力電池單體能量密度可以做到250瓦時(shí)/公斤做到200瓦時(shí)/公斤之間。2018年推出了，現在市面上300公里以上的電動(dòng)車(chē)，人家能量密度不會(huì )達到200瓦時(shí)/公斤。
在快充技術(shù)方面，這些年我們也獲得了很大的提升，做的比較好的其中有一個(gè)是北京的單位，另外還有浙江的微宏動(dòng)力，在快充方面，我們現在已經(jīng)可以做到一些車(chē)輛型號已經(jīng)可以做到10分鐘充電80%，循環(huán)在1000次左右，基本上思路還是材料到電解液的現在設計，盡量控制它的內阻，比如過(guò)程中遇到的一些安全性問(wèn)題要提前做好設計。早期2010年左右的時(shí)候，那時(shí)候車(chē)單體做到100瓦時(shí)/公斤，現在單體可以做到180—200瓦時(shí)/公斤，這個(gè)基礎提升主要基于蔡老，材料技術(shù)這些年對于材料的低溫性能和導電性、治理性不斷提升，我們電池重要的是比之前能量密度幾乎翻了一番。
我們“十三五”目前的一個(gè)推動(dòng)專(zhuān)項的項目進(jìn)展情況，現在材料方面，我們正極材料可以做到400安時(shí)/克，幾乎在“十三五”前的指標上漲了接近反倍的指標。我們也開(kāi)發(fā)出了300瓦時(shí)/公斤工程級的，很快應該可以在車(chē)輛上進(jìn)行測試。
快充方面，包括電池方面都取得了很好的進(jìn)展。
300瓦時(shí)/公斤電池是目前動(dòng)力電池里面行業(yè)競爭的熱點(diǎn)，除了寧德時(shí)代、立神、國軒、中航之外，一些主要的項孚能、盟固利等等都在里面，也取得了比較好的成果。
下一步鋰離子，區塊鏈是350—400公里/公斤，這里面提一下，首次開(kāi)發(fā)的材料，達到400毫安時(shí)/克以上，不僅應用于現在400瓦時(shí)/公斤的設計，200左右的也有涉及。鋰空氣電池、鋰硫電池、固態(tài)電池，這些體系存在的問(wèn)題循環(huán)壽命還不行。
剛才說(shuō)了固態(tài)電池，現在說(shuō)是國內外研究的一個(gè)重點(diǎn)，這里面沒(méi)有可燃的業(yè)態(tài)電解液，就是用高離子固體電解質(zhì)替代現在電池里面的可燃性有機電解液的。除了電解液的提高，能量密度、循環(huán)壽命都可以有一定的提升。
國際上像美國、加拿大、歐言、法國、德國、中日韓都在做，美國和歐洲主要的技術(shù)路線(xiàn)是以加上一些墊電解質(zhì)。日本、韓國堅持以無(wú)記位改造他們一直堅持用全固態(tài)的固態(tài)電池，這樣能保證電池絕對的安全性。像風(fēng)電提出的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)能大幅度提升固態(tài)電池的能量密度，同時(shí)這套技術(shù)開(kāi)發(fā)成功以后在業(yè)態(tài)電池里面也可以做一個(gè)推廣。
我們國家現在應該說(shuō)全世界固態(tài)電池研發(fā)最火熱的地方，我們國內的研發(fā)技術(shù)路線(xiàn)現在采用的是有機無(wú)機復合加入業(yè)態(tài)的電解液，第一步，我們叫工業(yè)復合，在這個(gè)基礎上我們再全固態(tài)電解質(zhì)，物理所有一個(gè)初創(chuàng )的北京蔚藍公司，清華大學(xué)在昆山有一個(gè)健康育人，寧波所他們有一個(gè)公司贛鋒鋰業(yè)公司合作的。我們公司從材料開(kāi)始到電池都有相關(guān)的合作專(zhuān)利，我們早期做的固體電池。我們還提出過(guò)聚合物電解質(zhì)，我們這個(gè)電解質(zhì)和其他電解質(zhì)相比，我在使用上是不需要家我的。目前是有機、無(wú)機符合去做，我覺(jué)得再過(guò)一兩年工程放大的一些問(wèn)題我們第一代的固態(tài)電池可能影響還是比較大的。
說(shuō)一下我們國家動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化的情況。我們國家動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化情況，現在發(fā)展的還是比較迅速的，母親來(lái)看，基本上形成了四個(gè)主要的聚集區，比如珠三角、長(cháng)三角、經(jīng)濟地區，從電池、光間材料、系統集成、回收提高、評估市場(chǎng)都形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
當然我們現在也可以看到，從2025年以后，實(shí)際上相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開(kāi)始舉重，就是產(chǎn)業(yè)的集中度在逐步提升。目前我們有90家家企業(yè)，實(shí)際上我們現在的設計產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)了2020年預期的產(chǎn)能，后面這段時(shí)間里估計有的企業(yè)會(huì )從產(chǎn)業(yè)鏈里面出局。
這些年我們的產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個(gè)特點(diǎn)就是說(shuō)，整個(gè)動(dòng)力電池的數字化、智能化、信息化每年的非常好，以前都是公司自己做，他要提供完整的動(dòng)力電池的方案。
在數字化智能化的基礎上，我們從控制點(diǎn)Cpk來(lái)看2094增長(cháng)到1.33，總的合理率從以前的90%提高到現在的99.8%。
最后提一下資源的問(wèn)題。前一段也和有一些人提出這個(gè)疑問(wèn)，動(dòng)力電池這么快的進(jìn)行擴張之后，重要的礦山夠不夠，在IEA的統計里面，隨著(zhù)材料技術(shù)的提升，對一些材料的含量是下降的，對鋰元素、鎳元素2018年的時(shí)候需求量也開(kāi)始往下走了。
最后快速說(shuō)一下儲能電池“十三五”的發(fā)展和“十四五”的目標。
儲能電池剛才我們知道，除了物理電能像抽水蓄能、壓縮空氣，化學(xué)儲能里面，除了鋰離子電池之外，還有液流電池、鉛炭、鈉硫電池的體系。
這是“十三五”期間電網(wǎng)基礎支持的項目，包括鋰離子電池、高速飛輪、業(yè)態(tài)金屬、海水儲能相關(guān)的項目。
前一段總結的時(shí)候，目前可以做到這樣，鋰離子儲能電池循環(huán)壽命大于1萬(wàn)次，成本小于100美元，百兆瓦儲能系統已經(jīng)落地。液流電池方面，大化所實(shí)現了200兆瓦、800兆瓦時(shí)的驗證，能量密度不小于67%，我們鈉離子電池儲能系統也開(kāi)始運行。
鋰離子電池儲能產(chǎn)品是目前發(fā)展比較快的一個(gè)技術(shù)路線(xiàn)，它跟動(dòng)力電池一樣也是分兩大類(lèi)，一類(lèi)是磷酸鐵鋰的，一類(lèi)是三元材料的，韓國用的比較多的是三元材料的體系，我們國內基本上用的磷酸鐵鋰。
從電站的角度，從10兆瓦的示范電站現在也在百兆瓦電池開(kāi)始有一些在建，我覺(jué)得電站實(shí)際運營(yíng)中還有很多科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題進(jìn)一步去分析，像韓國前一段儲能電站出了問(wèn)題，后面實(shí)際應用中還有很多問(wèn)題需要去解決。
這是我對未來(lái)儲能技術(shù)發(fā)展趨勢的想法，我覺(jué)得現在來(lái)看，鋰離子電池在2020年之前實(shí)現1萬(wàn)次能量效率90%、度電成本4毛/度，這是電池單體，也不是電站。目前這個(gè)指標是沒(méi)問(wèn)題的，是可以做到的。
“十四五”的時(shí)候，目標是希望要做到1500次循環(huán)，能量效率繼續保持大概90%，度電成本希望降到2毛/度電，現在來(lái)看，有一定的可能性，但是技術(shù)難度依然很大，對于鋰離子電池來(lái)講。同時(shí)我想其他新型的儲能技術(shù)，比如說(shuō)儲熱、儲電的協(xié)同，壓縮空氣，納離子電池儲能、相片儲能這些，我覺(jué)得只要找到適宜的相關(guān)的地點(diǎn)，這些儲能技術(shù)還是很有可能去顛覆現在鋰離儲能技術(shù)的。
