三元、氢氧还是锂氧，动力电池的终极目标会是谁？

在我国新能源汽车产业发展过程中,动力电池产业发展路线一直以来多有争议。目前备受推崇的锂电池,行业不少人士认为这一领域也存在天花板。在锂电池发展如火如荼的当今,不少企业或研究机构也在探索电池产品新的发展方向,如燃料电池和固态电池。从目前来看,这两种电池都有自己很明显的优点,当然存在的短板也不少。于是,针对动力电池发展路线,业界人士展开了争论:谁才是未来的终极电池?6月14日,中国汽车动力电池产业创新联盟动力电池分会成立大会暨技术研讨会在北京召开,从会上各专家的观点中或可窥见动力电池的未来发展方向。

动力电池能量密度和成本平衡点出现在2020年

分析动力电池的现状必须考虑研发与使用情况,对此,企业和研究机构看法并不一样。

作为我国动力电池领先企业,宁德时代与科研机构对锂电池的研发有较大不同,宁德时代更注重从工程化的角度入手。宁德时代副总裁、首席科学家吴凯介绍,电池企业进行研发注重考虑两方面因素,一是能量密度;二是成本平衡设计。这两条曲线与经济学的供需曲线相似,在某个位置形成平衡点。这个平衡点的时间节点是2020年,能量密度达到300Wh/Kg,价格为1元/Wh。在这个平衡点之下,三元/石墨体系的电池会成为流行趋势,随着能量密度提升,硅基负极体系、固态电池等会显示出优势。

我国目前动力电池的研发主要考虑的是能量密度、成本、寿命三要素平衡设计,在考虑安全性、使用环境的广泛性以及充电方面,系统设计成为引导电池设计方向的关键。在平衡点之下,高镍化是提高能量密度的重要手段。“宁德时代近期会在高镍应用方向深耕细作,长期来看,会加强固态锂金属电池开发。”吴凯说。

此外,大数据监控也说明了我国新能源汽车动力电池的现状。北京理工大学教授王震坡介绍了动力电池大数据平台的运行情况。他说,目前,我国形成了电动车辆安全运行国家、地方政府、整车企业三级监管技术体系,国家平台已接入超过90万辆产品,日在线近50万辆,行驶1200万公里,充电16万次。

从监控数据来看,安全性成为动力电池的首要问题,在2010～2016年间,动力电池起火事故中有67%的原因来自动力电池,充电引起的起火占14%,其他原因占19%。

整车企业向左电池企业向右

动力电池从磷酸铁锂转向三元体系后,能量密度有了较大幅度的提高,但是,瓶颈问题依然没有解决。燃料电池和固态电池被大家认为是未来的发展方向,为了抢占未来的制高点,我国企业出现了较有代表性的现象:不少整车企业偏向燃料电池,动力电池企业偏向固态电池研发。

长城汽车在电动汽车研发上步伐较慢,但一起步便瞄准了燃料电池,长城汽车宣布,2022年推出首款燃料电池车型。

比亚迪曾是磷酸铁锂电池的龙头企业,随着技术迭代发展,比亚迪也投入到燃料电池的研发之中。前不久,比亚迪与美国混合动力公司(US Hybrid Corporation)合作研发氢燃料电池客车。该款客车将服务于美国火奴鲁鲁(檀香山,Honolulu)的Daniel K.Inouye国际机场。

吉利汽车也积极投入到燃料电池的研发中,目前形成了纯电、混动、氢燃料电池、替代燃料四条路线。当然,由于燃料电池的前景还不明朗,吉利在燃料电池上的投入还不多。

上汽集团是我国最早从事燃料电池汽车研发的企业,旗下上汽大通的燃料电池汽车已正式上市销售。

与整车企业热衷燃料电池形成鲜明对比的是,动力电池企业大多数在研发固态电池。吴凯告诉《中国汽车报》记者,宁德时代在固态电池上投入了相当多的资源。此前,比克集团副总裁廖振波也告诉《中国汽车报》记者,比克已布局凝胶态的电池,即俗称的半固态电池,并组建成立了全固态电池研发团队。

据记者了解,我国动力电池排名前十的企业都涉足固态电池的研发之中,力神、国轩、微宏等企业都建立了研发团队并进行了相关布局。

与我国的情况不尽相同,国外整车企业并没有一边倒地选择燃料电池。大众汽车日本总裁兼CEO庄司茂曾称,未来燃料电池车可能在日本以外遭遇困境,难以在全球范围获得光明前途。大众汽车也表示正在研发续驶里程超过1000公里的固态电池,并将在2025年量产。

6月13日,福特汽车表示,福特与戴姆勒正在逐步关闭一家开发汽车燃料电池技术的合资企业。双方表示计划在内部进行各自的燃料电池技术开发,显然双方的燃料电池汽车研发受阻。

研发出全球第一款量产燃料电池汽车的丰田,也并没有把宝全押在燃料电池上,目前,其也在积极进行固态电池研发。前不久,丰田汽车高层人事调整似乎也预示着丰田将重心从燃料电池转向纯电动以及固态电池上。

终极电池争论泛起

目前来看,整车企业与电池企业对未来电池的看法产生了分歧,市场上关于燃料电池和固态电池的争论也不时传出。尤其是最近李克强总理在日本参观丰田工厂之后,似乎燃料电池更加引起人们的关注。有人甚至认为“即将进入氢时代”。

不过,中国工程院院院士陈立泉并不赞成氢是终极汽车能源的说法。他说,燃料电池主要依靠氢氧化学反应,固态电池的种类较多,常见的聚合物固态电池有聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等,这些聚合物固态电池主要进行的是锂氧化学反应。氢氧的理论能量密度为3525Wh/Kg,锂氧为5217Wh/Kg,两者有较大差距。

“氢氧电池只能称为一次电池,锂氧电池才是可充电池。从原子量的对比也可以看出,锂是氢的7倍,锂氧电池体积能量密度也好于氢氧电池,从使用环境来看,氢氧电池的限制因素比锂氧电池多。”陈立泉说。

会上,不少专家针对行业兴起的燃料电池与固态电池终极能源目标之争也发表了看法,有专家表示,他曾去日本考察了几家汽车企业,看到他们更加注重固态电池,询问原因,日本企业人士认为,燃料电池的商业化道路比固态电池还长。

对于燃料电池与固态电池的终极之争,中国科学院院士、国家863新能源汽车重大专项总体专家组组长、清华大学教授欧阳明高说:“我也不同意氢是终极能源以及氢燃料电池车是终极环保车的说法。”

不过,尽管如此,对于氢燃料电池汽车的发展,欧阳明高还是提出了建议,他强调,目前,大家只关注燃料电池系统本身,与氢相关的技术和基础设施发展并不理想。他认为,产业更应重视氢能技术,即前端的氢燃料,比如制取、运输、储存、压缩等环节。

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