——中國電科十八所化學與物理電源技術重點實驗室常務副主任丁飛
8月7日，由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的“第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創(chuàng)新技術大會”在北京召開，會議為大力推廣風能、太陽能、儲能創(chuàng)新技術，推動風光互補、太陽能+儲能、風光儲技術以及智能微電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術在綜合能源服務領域的應用；搭建風能、太陽能與儲能產(chǎn)業(yè)科學技術、創(chuàng)新應用的交流與合作平臺，推進風電、太陽能發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)項目技術發(fā)展，推動儲能技術進步和創(chuàng)新。
主旨報告環(huán)節(jié)，中國電科十八所化學與物理電源技術重點實驗室常務副主任丁飛作了題為“動力電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢”的報告。
各位老師、同學，大家下午好！非常高興有這個機會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期從事化學電源工作的單位，今天是儲能的論壇，現(xiàn)在動力電池跟儲能電池用電體系非常接近，我想今天把動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(nèi)容：首先介紹一下動力電池國內(nèi)外進展情況，最后再說一下儲能電池“十二五”以來的一些進展以及后面“十四五”的一些目標。
首先來看一下，IEA 2018年對新能源汽車的預測，政策支持和動力電池成本不斷下降的情況下，加上我們現(xiàn)在環(huán)境不斷變化的壓力，有可能到2030年的時候全球所有汽車里面有30%的車要實現(xiàn)電動化。
上午幾位老師都提到了我們國家新能源汽車，我們國家新能源汽車應該是在國際上發(fā)展最快的，一方面是可再生能源用電來驅(qū)動，另外一方面很重要的原因就是，目前我們的石油有60%都是給車燒掉了，加上其他一些動力系統(tǒng)，80%以上的石油都是給汽車、其他動力在使用。而我們的石油儲備只有40天，所以實際上從安全角度來講，發(fā)展電動汽車是非常急迫的事情。
現(xiàn)在我們國家電動汽車、新能源汽車研發(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，我們新能源汽車應用推廣是世界第一的，我們的目標是在2020年的時候，希望能夠產(chǎn)銷量達到200萬輛，2025年的時候新能源汽車站汽車總銷量的20%以上。
我們來看一下，什么樣的電池是一個完美的動力電池，這里面有一些指標，比如說高的能量密度、高的功率密度、高的安全性、長的循環(huán)壽命等等。顯然我們現(xiàn)在還有很多技術和科學上的問題要去繼續(xù)解決，比如我們要不斷提高現(xiàn)有電池的能量密度，從現(xiàn)在的200多瓦時/公斤，提升到400瓦時/公斤，可以把汽車續(xù)航成提高一倍，上午也說了，現(xiàn)在電池還有好多安全性問題，在后面“十四五”里面重點要解決這個，或者進一步提升動力電池的安全性。再一個，“十四五”的時候也沒有提出一個目標，希望所有的電動車都能夠?qū)崿F(xiàn)10分鐘充電80%的目標。
基于剛才對未來的市場趨勢，研究動力電池主要的國家像日本、美國、德國都在開展這方面的工作以及相應的國家規(guī)劃。日本鋰離子電池除了一方面提高現(xiàn)有的鋰離子電池能量密度，也不停的開發(fā)下一代電池。美國他們的電池研究路線原本是相對比較保守的，6年的時候他提出了一個技能，他用5年時間去搜集有沒有一種可能性把電池的能量密度提升到500瓦時公斤，已有的鋰離子電池能夠支撐400瓦時/公斤的能量密度。德國對動力電池研究，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年的時候，日本結合了豐田、本田、日產(chǎn)在內(nèi)的23家汽車電池材料的企業(yè)還有相關的研究所，一共投入了100億日元，專門開發(fā)下一代的動力電池汽車。后面我會再給大家介紹一下固態(tài)電池相關的情況。
從上面的分析來看，因為基于剛才所說的未來的需求，實際上動力電池已經(jīng)成為一個各個地方的像動力電池技術強國分秒必爭的一個戰(zhàn)場，大家希望都能夠在這個技術上搶先占據(jù)制高點。
我們國家在動力電池實際也布置了很詳細的國家科技規(guī)劃，比如節(jié)能與新能源汽車的國家規(guī)劃、“十三五”計劃新能源汽車重點方向，“中國制造2025”“汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃”，得對電池的技術發(fā)展制訂了詳細的路線圖，比如中國制造從2025年到2030年都有詳細的路線，總的來看目前我們動力電池的發(fā)展也是按照它的動力電池路線來實現(xiàn)的。
比如科技部“十三五”關于電動汽車重點研發(fā)方向的動力電池安排，包括了電池、電機、電控三大方面，都囊括在里面了，在電池里面重點是要突破動力電池的新材料、新體系，高比能鋰離子電池、高功率電池、動力電池系統(tǒng)、測試評估等相關的方法?？偟哪繕?，產(chǎn)業(yè)化的目標，鋰離子電池技術要達到300瓦時/公斤，動力電池系統(tǒng)210瓦時/公斤。
在2018年的時候，我們對整個“十三五”項目進行了中期的檢查或者監(jiān)督，基本上我們現(xiàn)在這個項目進展的比較順利，應該說可以實現(xiàn)剛才的目標。同時，像汽車工業(yè)協(xié)會已經(jīng)開始組織2035年前的新能源汽車路線圖，在9個專項里面其中有4個專項是與動力電池相關的，我們十八所和中科院物理所在聯(lián)合牽頭做動力電池技術路線。
下面說一下動力電池具體技術上的一些進展情況。
在過去的三個“五年計劃”里面，我們的動力電池伴隨著整個鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們經(jīng)過了從最早的鈷酸鋰動力電池體系，經(jīng)過中間的磷酸鐵鋰，現(xiàn)在基本上已經(jīng)穩(wěn)定為三元電池為主，兼顧磷酸鐵鋰這么一個電池的主體系?，F(xiàn)在我們這些電池從最初的130瓦時/公斤，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在250瓦時/公斤，現(xiàn)在高一點做到220瓦時/公斤，可以說很好的支撐我們對混合動力、動力電池相關的技術要求。
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，特點就是成本比較低，能量密度可以做到180瓦時/公斤，目前主要在大巴車上使用。鈷酸鋰和石墨，它的特點就是成本比磷酸鐵鋰略高一點，但是它的一些性能比磷酸鐵鋰好，它也是用在大巴上，尤其是混合動力上鈷酸鋰用得更多一點。
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/公斤或者往上一點，主要用在乘用車里面、平時的私家車里。
我整理了一下2014—2018年乘用車領域所使用的動力電池變化的情況，對乘用車混合動力，2014年的時候是磷酸鐵鋰為主，到現(xiàn)在基本上以三元材料為主。純電動2014年是磷酸鐵鋰占70%，第一批的電動車基本都是磷酸鐵鋰的，現(xiàn)在看純電動車的車擁車90%以上都是用三元的材料，現(xiàn)在咱們在市面上新出的300公里以上的車，能量密度也從最初的90瓦時、100瓦時，提升到現(xiàn)在的系統(tǒng)平臺技術，大概在120瓦時/公斤左右。
對于乘用車，早期也是磷酸鐵鋰為主，現(xiàn)在混合動力基本上采用了鈷酸鋰這個體系，乘用車也是，早期磷酸鐵鋰占了很大比例，現(xiàn)在也有一部分鈷酸鋰體系。
我們電池系統(tǒng)能量密度的變化，實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/公斤，實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里面，小車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的成本效率低，所以最后綜合起來能量密度這兩個體系，單看能量密度是相同的，120瓦時/公斤左右。
下面幾頁說了一下現(xiàn)在動力電池一些具體的技術情況。剛剛說了，現(xiàn)在動力電池單體能量密度可以做到250瓦時/公斤做到200瓦時/公斤之間。2018年推出了，現(xiàn)在市面上300公里以上的電動車，人家能量密度不會達到200瓦時/公斤。
在快充技術方面，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是北京的單位，另外還有浙江的微宏動力，在快充方面，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以做到一些車輛型號已經(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(xiàn)在設計，盡量控制它的內(nèi)阻，比如過程中遇到的一些安全性問題要提前做好設計。早期2010年左右的時候，那時候車單體做到100瓦時/公斤，現(xiàn)在單體可以做到180—200瓦時/公斤，這個基礎提升主要基于蔡老，材料技術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”目前的一個推動專項的項目進展情況，現(xiàn)在材料方面，我們正極材料可以做到400安時/克，幾乎在“十三五”前的指標上漲了接近反倍的指標。我們也開發(fā)出了300瓦時/公斤工程級的，很快應該可以在車輛上進行測試。
快充方面，包括電池方面都取得了很好的進展。
300瓦時/公斤電池是目前動力電池里面行業(yè)競爭的熱點，除了寧德時代、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(qū)塊鏈是350—400公里/公斤，這里面提一下，首次開發(fā)的材料，達到400毫安時/克以上，不僅應用于現(xiàn)在400瓦時/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，這些體系存在的問題循環(huán)壽命還不行。
剛才說了固態(tài)電池，現(xiàn)在說是國內(nèi)外研究的一個重點，這里面沒有可燃的業(yè)態(tài)電解液，就是用高離子固體電解質(zhì)替代現(xiàn)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路線是以加上一些墊電解質(zhì)。日本、韓國堅持以無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。像風電提出的技術，這個技術能大幅度提升固態(tài)電池的能量密度，同時這套技術開發(fā)成功以后在業(yè)態(tài)電池里面也可以做一個推廣。
我們國家現(xiàn)在應該說全世界固態(tài)電池研發(fā)最火熱的地方，我們國內(nèi)的研發(fā)技術路線現(xiàn)在采用的是有機無機復合加入業(yè)態(tài)的電解液，第一步，我們叫工業(yè)復合，在這個基礎上我們再全固態(tài)電解質(zhì)，物理所有一個初創(chuàng)的北京蔚藍公司，清華大學在昆山有一個健康育人，寧波所他們有一個公司贛鋒鋰業(yè)公司合作的。我們公司從材料開始到電池都有相關的合作專利，我們早期做的固體電池。我們還提出過聚合物電解質(zhì)，我們這個電解質(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、無機符合去做，我覺得再過一兩年工程放大的一些問題我們第一代的固態(tài)電池可能影響還是比較大的。
說一下我們國家動力電池產(chǎn)業(yè)化的情況。我們國家動力電池的產(chǎn)業(yè)化情況，現(xiàn)在發(fā)展的還是比較迅速的，母親來看，基本上形成了四個主要的聚集區(qū)，比如珠三角、長三角、經(jīng)濟地區(qū)，從電池、光間材料、系統(tǒng)集成、回收提高、評估市場都形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
當然我們現(xiàn)在也可以看到，從2025年以后，實際上相關的電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始舉重，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)，實際上我們現(xiàn)在的設計產(chǎn)能已經(jīng)超過了2020年預期的產(chǎn)能，后面這段時間里估計有的企業(yè)會從產(chǎn)業(yè)鏈里面出局。
這些年我們的產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個特點就是說，整個動力電池的數(shù)字化、智能化、信息化每年的非常好，以前都是公司自己做，他要提供完整的動力電池的方案。
在數(shù)字化智能化的基礎上，我們從控制點Cpk來看2094增長到1.33，總的合理率從以前的90%提高到現(xiàn)在的99.8%。
最后提一下資源的問題。前一段也和有一些人提出這個疑問，動力電池這么快的進行擴張之后，重要的礦山夠不夠，在IEA的統(tǒng)計里面，隨著材料技術的提升，對一些材料的含量是下降的，對鋰元素、鎳元素2018年的時候需求量也開始往下走了。
最后快速說一下儲能電池“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、海水儲能相關的項目。
前一段總結的時候，目前可以做到這樣，鋰離子儲能電池循環(huán)壽命大于1萬次，成本小于100美元，百兆瓦儲能系統(tǒng)已經(jīng)落地。液流電池方面，大化所實現(xiàn)了200兆瓦、800兆瓦時的驗證，能量密度不小于67%，我們鈉離子電池儲能系統(tǒng)也開始運行。
鋰離子電池儲能產(chǎn)品是目前發(fā)展比較快的一個技術路線，它跟動力電池一樣也是分兩大類，一類是磷酸鐵鋰的，一類是三元材料的，韓國用的比較多的是三元材料的體系，我們國內(nèi)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(xiàn)在也在百兆瓦電池開始有一些在建，我覺得電站實際運營中還有很多科學和技術問題進一步去分析，像韓國前一段儲能電站出了問題，后面實際應用中還有很多問題需要去解決。
這是我對未來儲能技術發(fā)展趨勢的想法，我覺得現(xiàn)在來看，鋰離子電池在2020年之前實現(xiàn)1萬次能量效率90%、度電成本4毛/度，這是電池單體，也不是電站。目前這個指標是沒問題的，是可以做到的。
“十四五”的時候，目標是希望要做到1500次循環(huán)，能量效率繼續(xù)保持大概90%，度電成本希望降到2毛/度電，現(xiàn)在來看，有一定的可能性，但是技術難度依然很大，對于鋰離子電池來講。同時我想其他新型的儲能技術，比如說儲熱、儲電的協(xié)同，壓縮空氣，納離子電池儲能、相片儲能這些，我覺得只要找到適宜的相關的地點，這些儲能技術還是很有可能去顛覆現(xiàn)在鋰離儲能技術的。
