汽車快速電動化,使得動力電池成為大國競爭新戰場。中國、美國、德國、日本四個全球科技創新大國,都在動力電池上發力,希望奪取下一代出行工具利潤最豐厚的市場。
中國:300wh/kg的2020目標接近實現
歐陽明高在演講中開宗明義,電動汽車的競爭,主要取決於電池。而競爭主要圍繞電池成本和效率(cost-efficient)展開。
中國2020動力電池研究目標,也由電動汽車的目標倒推而來。到2020年,A0級電動汽車能耗要達到10kwh/百公里;A0級電動汽車總成本,可以和燃油汽車競爭。
在電池方面,無疑需要提升電池的性能,主要在於能量密度、電池壽命、成本控制、梯次利用和回收。同時,電池的安全管理能力也需要提升。
歐陽明高介紹了在高比能量、低成本電池(300wh/kg,100$/kwh)研究上,目前中國的進展。
中國動力電池路線圖
這就是他此前透露的、科技部新能源車重大專項動力電池專項研究。CATL、力神和國軒,採用高鎳正極和硅碳負極。歐陽明高評價,一些性能已經接近應用要求,但安全性能還沒有完全達到國標要求。
他舉CATL的研究數據表明,能量密度達到304瓦時/公斤,循環壽命在25℃時可達1200次,在45℃時可達800次。
至於2020年之後,歐陽明高透露,中國動力電池2025年能量密度目標400wh/kg,材料體系應該是富鋰錳基正極+高比能硅碳負極;2030年,能量密度目標是500wh/kg,材料體系方面,正負極仍是富鋰錳基正極+高比能硅碳負極,但是電解液將演變為固態電解液。
美國:降鈷或去鈷著力降低成本
David Howell介紹,美國能源部的研究著重於電池材料革新、電芯電化學優化、增強可持續性和降低成本。
具體的戰略目標是:到2022年9月,電池包的成本要降到150$/kwh(2018年是197$/kwh)。方法是:有效降低或者解脫電池對重要材料的依賴,比如說鈷,以及回收利用動力電池材料。同時,他們也希望能夠研發出15分鐘充滿的安全電池。
在這樣成本提升的過程當中,技術路線和各國差不都,從目前的石墨/高壓鎳鈷錳,到硅/高壓鎳鈷錳,最後過渡到鋰金屬電池或者鋰硫電池——大約在2030年,電池包成本降到80$/kwh。
降成本的最重要手段就是低鈷或者無鈷。低鈷主要的技術路線是高鎳811,尋求用錳、鎳、鈦來替代鈷。去鈷則是鎳錳、鐵錳、鋁鎳作為正極等方向。
看起來美國的動力電池研究更追求降低成本,對性能提升不那麼重視?
也不是。
David Howell還介紹了Battery500計劃。2016年7月,當時的奧巴馬政府宣佈發起了Battery500計劃,用五年、投資額5,000萬美元,打造能量密度500wh/kg,循環壽命1000次的電芯。
這一電池的技術路線是高比能鋰離子正極(鎳鈷錳)和鋰金屬負極。2017年這一項目已經實現了309wh/kg,但循環次數只有275次;2018年,已經實現350wh/kg,循環次數150次。
Battery500計劃進展
Battery500計劃聯合國家實驗室、大學和產業界共同攻關。當時,IBM、特斯拉都參與其中。
德國:動力電池要Made in German
Herbert Zeisel介紹,德國對於動力電池研發也非常看重。該國把動力電池研究看做確保技術主權、加強創新能力的重要因素。
德國還發起了電池研發的資助計劃。在行動計劃中,計劃要簡化研究成果向產業應用轉化,以及實現電池“德國製造”(Made in German)。具體執行方面,這一計劃將價值鏈上下游的參與者都串聯起來,從上游的材料、到正極、負極、隔膜、電解質、電池製造商、電池包製造和主機廠。HerbertZeisel認為,德國在電池整個價值鏈的諸多部分都都處在一個好位置。
德國研究目標
在電芯方面德國的目標是,2020年能量密度350wh/kg,循環次數1000次,成本90歐元/kwh,而2030年實現能量密度400wh/kg,循環次數2000次,成本75歐元/kwh。
為了達成目標,電池研發的資助計劃將繼續支持鋰離子技術、全固態電池和新概念電池。
日本:著重電池包能量密度
Hidetaka ishikoori所在的NEDO,是日本經濟產業省(類似中國工信部)下屬的研究開發機構,成立於1980年,是為了開發能夠替代石油的新能源技術而設立的,研究內容也包括動力電池、氫燃料電池和氫能等方面。NEDO扮演的角色,是為政府的監管、標準等提供服務,同時推動產業化。
根據NEDO的技術路線圖,在2025年之前,日本動力電池將是現在鋰電池體系,此後電解質將進入全固態電池階段,同時鋰硫電池也會成為主流,而到2035年左右,會有其他電池出現,比如鋰空氣電池。
日本電池研究目標
在具體的動力電池研究目標上,日本提出,在2020年實現250wh/kg能量密度的電池包(注意不是電芯),成本降到20000日元/kwh以下,循環次數1000-1500次。到2030年,電池包密度達到500wh/kg,成本降到10000日元/kwh以下,循環次數1000-1500次。
目前的水平,Hidetaka ishikoori舉了日產聆風為例,電池包能量密度還在133wh/kg。
部分觀點認為,日本不走純電動路線,直奔氫燃料電池而去。但Hidetaka ishikoori發佈的日本乘用車市場計劃則顯示,2020年日本希望插電式混合動力和純電動能佔據15-20%的市場,氫燃料電池車只有1%;2030年,插電式混合動力和純電動能佔據20-30%市場,氫燃料電池為3%。
日本乘用車市場目標
總結:
中國科學院院士孫世剛在回答我的問題時表示,從四個國家的代表演講看,動力電池研究大的趨勢是一致的,大家都注意能量密度提升、安全性更強、成本更低。技術路線也接近。各國有些細微差別,比如美國的目標是很現實的,比如價格有很明確的路線。
確實,歸納四個國家的動力電池研究目標可見,各國的研究大同小異,而研究進展也沒有那個國家特別突出的。在現有動力電池應用方面,中國的動力電池密度已經比較高,甚至略微激進,成本方面,應該是各國最低的,這也是中國大規模商業化應用的優勢。
從未來的研究方向看,動力電池的材料體系還會有多輪革新,甚至可能還會有目前不知道的新電池產生。那麼,哪個國家可能從動力電池競爭當中脫穎而出?
在ABAA會議間隙,我曾問各方這個問題。
Khalil Amine沒有直接回應,他說,中國目前在電動汽車的推廣上領先全球,中國動力電池也較以往進步很快,但是美國、德國等國也在高級動力電池上投入很大。言下之意,目前還難下判斷。
David Howell的回答是,可能沒有哪個國家會特別突出,因為各國的交流非常密切,在一個地方發明的新動力電池技術很快會被別的國家學去。具有全球視野、全球合作的企業更有機會。
孫世剛評價,中國在動力電池產能方面是領先的,技術水平方面,中國在某些方面有領先,但整體水平,還稱不上領先的地步。“我們還得大規模投入研發。特別現在的動力電池研發主要還在高校、研究所,如果轉換到企業研發動力比較強的時候,我們就會往前跨得快一點。”
本文源自中國化學與物理電源行業協會
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