欧阳明高:今年三元锂离子电池的比能量将达到180Wh/kg

节能与新能源汽车网 综合报道

2015年9月23日,由中国汽车技术研究中心主办的2015电动汽车科技创新国际论坛(EVTIF 2015)在北京开幕,全国政协常委、国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长、清华大学教授、“中国电动汽车百人会”执行副理事长欧阳明高做了题为《车用动力电池发展趋势安全管理》的专题报告,以下是发言实录:

欧阳明高:今年三元锂离子电池的比能量将达到180Wh/kg

今天主要跟大家探讨电动汽车动力电池发展趋势与安全管理。2015年1到8月份,我国新能源汽车已经到12.35万辆,尤其是纯电动车增长得非常快。我们不能光看这个产业的规模,产业发展持续的动力还是技术,如果说纯电动车的技术,我想核心大家肯定共识就是电池技术,所以我今天想介绍一下电池技术相关的。

中国电动汽车电池技术的产业基础,应该说总体上还是不错的,我们从“十五”科技部电动汽车重点专项起步开始推动中国电动汽车动力电池的研发,当时主要是镍氢电池和锰酸锂电池;到“十一五”的时候,主要是磷酸铁锂电池,应该说磷酸铁锂电池的发展支撑了我们“十二五”电动汽车的发展;到“十二五”,我们重点的研发转向了三元锂离子电池,估计今年我们三元锂离子电池的比能量会达到180Wh/kg,现在我们正在起动“十三五”。“十三五”将会在此基础上进一步升级,我们估计在今后5到10年锂离子电池将会达到它的技术极限,我这里显示的是在中国目前的一些总体的产业情况和电池性能和成本的一些发展情况,我们预计它是在逐步的上升,这是系统比能量。预计到2020年会超过200Wh/kg,比现在估计要提高一倍。

跟国际相比,我们也存在很多问题,包括我们先进材料和机理方面的研究比较差,电池结构设计的技术还不太先进。另外制造的自动化程度也比较低,精工艺的开发能力也比较弱,还有一个电池系统涉及技术比较落后,因为以前大家都觉得电池系统没什么技术,就是把单体给组合起来就完了,现在才开始知道,电池系统也是很复杂的技术。由于这些问题,我们高端材料供给还不太足,一致性、良品率、安全性、可靠性、产品性能还不能完全满足市场的要求,企业创新能力总体还不强,优势产能不足,而且面临韩国等国外电池企业的挑战,这是当前我们电池面临的一些问题。

从全球看,电池技术尤其是锂离子电池技术还在不断进步,我们预计在今后5到10年,也就是到2025年,锂离子电池将会竭尽它的性能极限,到达大约350 Wh/kg-400 Wh/kg左右。我们下面会做研究来探讨这个极限究竟是多少,至少我们现在认为到达300Wh/kg-350 Wh/kg应该是没有问题的,这是单体。真正到系统,可能在250Wh/kg,也就是到2020年至少可以达到200Wh/kg左右,应该说比现在的大约提高一倍。这是美国能源部对锂离子电池发展现状和趋势的一个判断,我们也基本是认同这个判断的。当然,为了达到这个系统,单体材料层面当然就要达到80Wh/kg左右。日本应该说也是有类似的看法,在2020年,达到300 Wh/kg,这是他们的一个基本判断。这种电池将会采用硅碳复合的负极,高电压的电解质,以及富锂的固溶体或者高镍的三元材料,这个材料体系目前应该说从基础层面基本上是清楚的,关键是如何把它开发出来,也就是说我们现在其实300瓦时每公斤也可以做到,但是寿命非常短,尤其负极的硅这种材料充电的时候膨胀比非常大,容易迅速衰减,所以它现在提高寿命,如何来解决硅负极的相关问题,这是目前技术攻关的一个重点。根据国外的趋势,中国2020年的一个基本的发展目标,高比能量电池目标也是要达到300Wh/kg,寿命1500次,成本0.8元,系统比能量大约210Wh/kg,这是按照单体的70%,比现在约提高一倍。如果用这样的电池,我们用相同重量也就是200kg的电池的话,我们现在的性价比比较好的电动车续驶里程可以到300公里以上。现在的纯电动车的成本,主要增加的是电池,如果能把电机这些驱动系统跟传统的内燃机相比的话,大约还可以节省出5000到1万块钱用于电池,也就是说我们现在比燃油车贵的部分主要是电池,当然电机比发动机要便宜一些,但是也便宜不了太多,可以匀出5000到1万块钱给电池,其余多的钱就是增加的。按照我们购置和使用综合考虑的话,在2020年之后,小型电动车,比如说城市代步用的200到250公里左右,应该可以跟燃油车竞争。这是我们电池的技术路线图。

在迈向高比能量锂离子电池的过程中,大家可以看到我们电池的成本下来了,比能量提高了,续驶里程上升了,我们电动车可以竞争了,但是这中间有一个重要的问题是,在这个过程中,安全性将会变得更加突出。大家可以看一下,这是我引自宝马的一张图,能量密度,比方说这是现在的,2018年的,2020年的,2025年的,在持续上升,但是我们的安全性并没有大的变化,安全性面临的挑战,越往高比能量走挑战越大。所以我们必须下面对安全性要受到进一步的高度的重视,也就是说我们性能提高了,但是耐久性和安全性的问题将更加突出,这是我们面临的三个问题,安全性、耐久性、动力性,最核心的是安全性问题。

下面我说一说动力电池的安全性是一个什么样的问题,我们先看一下,我们安全性的问题概括起来叫动力电池热失控,也就是到达一定的电池受热到一定温度之后,它就不可控了,温度直线上升,超过500℃、1000℃,然后就会燃烧爆炸。为什么会有这个问题,首先过热会引起这个问题,温度上来,最终都是温度上来导致的,它会触发电池里的副反应,随着温度的升高,我们电池里会产生一系列的副反应,这些副反应都会放热,导致热的失控。另外一种原因,电触发的,比方外部短路、内部短路、过充,这些都会导致产热,然后形成热,然后产生热失控。还有一个原因就是碰撞,比方说车辆的碰撞、挤压。挤压之后就像一个针刺了电池一样,然后短路,短路这是一个电的触发,然后再产热,然后热再引起热失控,这是大概它的几个诱因。这是热失控的过程,随着温度的升高,会触发不同的副反应,比如说石墨负极与电解液的反应、电解质的分解、大规模的内短路等,导致最后电解液燃烧,最后热失控,放热速率会非常快。一个热失控之后会导致它在一个电池里面的传播,比方热失控在第一个中间过来之后,它就会随着在整个电池组里面迅速扩散。我们看几种不同的热失控,第一种是过热的热失控触发,比如说插电式的普瑞斯。我们来看那个热失控的过程,这就是个三元电池的热失控过程,我们可以看出它分成几个阶段,随着不同时间、不同的温度,底下是它不同的热失控的反应,可以看出温度逐步上升,到这个时候温度就直接往上窜上,电压直线下降。为了研究热失控,我们需要采用一种量热仪,这就是一个加速的量热仪,动力电池各种复反应放热的过程都可以量出来,由此可以确定每一个副反应集合起来的温度的上升,也可以进行整个动力这个过程的一个模型的计算,由此我们可以在此基础上对这个温度进行一个预测和判断。这是过热的原因和解决办法,包括电池的选型和热设计的不合理,或者外短路导致电池的温度升高,或者是电缆的接头松动等,解决办法两个方面,一个是电池的设计,一个是电池的管理。比如说我们可以开发来防止热失控的材料,阻断热失控的反应,比如说这就是一种新的材料,温度到这个之后就平了,这是从材料设计的角度。另外一个,电池管理的角度,我们可以来预测不同的温度范围,来定义不同的安全等级。比如说在不同的阶段,我们可以算出它的温度是多少,来判断定义不同的安全等级,来进行分级报警,这是第一个问题。第二个问题,过充电触发的热失控,比如说前一阶段出现的电动巴士的燃烧就是这个原因,这个原因最后发现是电池管理系统本身对过充电的电池管理系统的电路没有功能安全,导致电池的BMS已经失控,然后还在充电导致的。我们可以把过充电这种情况也来进行一个试验,可以看出在这个过程中,我们跟刚才的过热触发不一样,这是过充电的倍率,20%的SOC,到60%就开始失控了。基本上是在20%到38%,这个时候负极会下降到0,锂金属会析出。在第二个阶段,电解液在高电压下分解,温度加速上升,电池开始膨胀,到160%SOC的时候电池膨胀到破裂,电池的电压内阻快速升温,热失控就发生了,这是过充电导致的热失控,跟刚才的热失控机理是不完全一样的。怎么办,我们可以看出过充电的原因和解决办法,首先是充电机的故障,这个可以通过充电机的完全冗余来解决。第二是电池管理的不合理,管理的不合理比如说没有监控每一节电池的电压。

给大家介绍一个办法看看如何会产生过充电,这是一张电池组的理论图,横坐标是容量,纵坐标是电量,电量等于容量,充满了,绿颜色的是单体,大红点是整个电池组的容量,其他是各个单体的容量,充放电的过程可以看出充电的时候最早有一个单体到达,放电也有一个单体最早到达,这就是最小充电电量和最小放电电量的单体,这是充电的时候最容易到达,最快到达的那个就会形成过充。就是现在这个小红点就是最容易过充的,我们用这样一张图可以把电池系统基本上分清楚。我们再看看,随着电池的老化,各个电池之间的一致性会越来越差,当然过充就更容易发生了,还有一个问题,就是电池组的容量比单体的容量下降的更快,红点,底下的这个就是电池组容量的下降。

所以我们必须了解这个过程,在此基础上,我们要进行整个电池组的均衡,来保持一致性电池组,这就是一个均衡的原理。大家可以看出对一个串联的电池组,我们现在主要是先并后串,这是最常见的电池组组合方法,先并完以后再串,这是一个串联的电池模块合起来的这些小绿点就是各个单体或者并起来的大模块。他们串起来,就是这样的情况。我们可以看出,第一我们这是一个,这些单体把它一致性起来,最后可以得到电池组容量就是那个最小容量的单体,这是我们可以达到的最大的电池组容量,也就是说一个串联电池组容量,它实际上最好的情况就是跟最小容量的单体一样大的容量。有了这个一致性之后,我们容量也回升了,同时过充这种情况也会防止。为了实现这个一致性,我们就必须对各个单体进行容量估计,也就要有一种方法来进行容量估计,这就是我们根据充电曲线的相似性来进行全体电池组的状态的估计,也既是说我们只要知道了其中一只单体的电池的曲线,其他的曲线应该跟它是相似的,经过曲线变化,他们可以近似重合,曲线变化的过程中间的这些差异就很容易算了,也就是说根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法我们就可以进行刚才的一致性的均衡,当然这种算法的时间过长,所以要进行简化。

第三种就是内短路触发的热失控,比方说波音的787事件,最后找到的原因,电极和隔膜上有金属物,有了内短路,但是我们无法100%确认这个热失控是内短路触发的,但是它是最可能的原因,因为找不到其他原因,而且内短路没办法浮现。内短路是什么原因,有三种,一种是电池制造杂质,金属颗粒,另外是充放电膨胀的收缩,还有析锂。内短路是缓慢发生的,时间非常长,而且你不知道它什么时候会出现热失控。而且这个试验也是无法重复的,现在我们还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程,目前全世界都在研究这个问题。要解决这个问题,第一个方面是电池的选择和电池单体容量的选择,当然你要找到好的电池厂商,它的品质要好;第二个是内短路的安全预测,我们在没有发生热失控之前,要找到有内短路的单体。我们必须要找到它的特征参数,怎么办呢,我们先从一致性着手,刚才已经提到过一致性,从一致性着手电池是不一致的,内阻也是不一致的,我们只要找到中间有变异的单体,我们就可以把它辨别出来。怎么辨别,有一个办法,这就是正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路,我们把它的方程写出来的话,方程的形式实际上是一样的,正常单体、微短路的单体,只不过这里头的参数发生了变化,所以我们可以对这些参数来进行研究,它在内短路变化中的一些特征。比方说内短路单体的电势差,它的内阻跟其他单体的差异,这些都会有特征。我们根据这些特征,把这些特征辨识出来,我们要利用模型来进行单体的辨识,因为我们可以到每个单体的电压,每个单体的电流,这些我们都是可以测的,利用这些数据再结合模型,我们就可以把每个单体的内阻估出来,把它的这些参数全部估出来。根据这些参数的变化,我们来判断它的一致性是否发生了显著性变化。第三种触发是机械触发,比方说碰撞,特斯拉就是这样的,特斯拉在美国撞过好多辆车,我们清华大学跟MIT共同合作对特斯拉在美国的碰撞事故进行过分析,这是我们分析的一些结果。如果我们在实验室进行碰撞的一个仿真,最接近的就是针刺,用针里来刺这个电池,这是一个三元电池的针刺的试验结果,红的那边是温度场,中间的温度高,右边是热失控的过程。我们如果做其他的,比如说磷酸铁锂电池,显然在这个过程中它就没有三元电池那么厉害,大家可以看电池极的温度,基本上最高温度在120℃,可以看出不同的材料在针刺的时候反应不一样的,磷酸铁锂相对安全。所以我们到现在为止,仍然坚持在大客车中间主要使用磷酸铁锂电池,暂时还不宜大规模使用三元电池,尤其对12米大客车。再比如碳酸锂电池,它也问题不大,不同的电池类型表现情况是不一样的。

为了研究针刺,我们做一些三维的仿真模型,这是三维仿真的针刺之后的温度场的变化和电压变化。我们也可以做碰撞,怎么撞的,撞了之后怎么变形的,这些我们也做过很多研究。在此基础上来进行安全性的设计,比方这个碰撞要解决的办法就是电池的安全保护设计,这个是很有讲究的。热失控发生之后,它会往下传播,因为第一节热失控之后它会有传热,然后开始传播,比如说有一个,然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。传播我们可以建立一个模型,中间温度升高率,化学能电能的产热,还有传热对流等。整个热电耦合的模型,我们可以用前面说的量热仪来做一个相关的定量的分析。有了传播模型我们就可以设计如何来阻断和抑制,这就是要加隔热层。但是加隔热层也不是个简单的问题,加厚了体积大,而且隔热层跟冷却又是矛盾的,所以这些都是需要解决的问题。总之我们在热失控扩展和抑制方面,我们也是从安全保护设计和电池管理两个方面来着手。

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