電動汽車動力電池的發展趨勢

　2015年9月23日，由中國汽車技術研究中心主辦的2015電動汽車科技創新國際論壇(EVTIF 2015)在北京開幕，全國政協常委、國家“863”計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組組長、清華大學教授、“中國電動汽車百人會”執行副理事長歐陽明高做了題為《車用動力電池發展趨勢安全管理》的專題報告，以下是發言實錄：

　　今天主要跟大家探討電動汽車動力電池發展趨勢與安全管理。2015年1到8月份，我國新能源汽車已經到12.35萬輛，尤其是純電動車增長得非常快。我們不能光看這個產業的規模，產業發展持續的動力還是技術，如果說純電動車的技術，我想核心大家肯定共識就是電池技術，所以我今天想介紹一下電池技術相關的。

　　中國電動汽車電池技術的產業基礎，應該說總體上還是不錯的，我們從“十五”科技部電動汽車重點專項起步開始推動中國電動汽車動力電池的研發，當時主要是鎳氫電池和錳酸鋰電池；到“十一五”的時候，主要是磷酸鐵鋰電池，應該說磷酸鐵鋰電池的發展支撐了我們“十二五”電動汽車的發展；到“十二五”，我們重點的研發轉向了三元鋰離子電池，估計今年我們三元鋰離子電池的比能量會達到180Wh/kg，現在我們正在起動“十三五”。“十三五”將會在此基礎上進一步升級，我們估計在今后5到10年鋰離子電池將會達到它的技術極限，我這里顯示的是在中國目前的一些總體的產業情況和電池性能和成本的一些發展情況，我們預計它是在逐步的上升，這是系統比能量。預計到2020年會超過200Wh/kg，比現在估計要提高一倍。

　　跟國際相比，我們也存在很多問題，包括我們先進材料和機理方面的研究比較差，電池結構設計的技術還不太先進。另外制造的自動化程度也比較低，精工藝的開發能力也比較弱，還有一個電池系統涉及技術比較落后，因為以前大家都覺得電池系統沒什么技術，就是把單體給組合起來就完了，現在才開始知道，電池系統也是很復雜的技術。由于這些問題，我們高端材料供給還不太足，一致性、良品率、安全性、可靠性、產品性能還不能完全滿足市場的要求，企業創新能力總體還不強，優勢產能不足，而且面臨韓國等國外電池企業的挑戰，這是當前我們電池面臨的一些問題。

　　從全球看，電池技術尤其是鋰離子電池技術還在不斷進步，我們預計在今后5到10年，也就是到2025年，鋰離子電池將會竭盡它的性能極限，到達大約350 Wh/kg-400 Wh/kg左右。我們下面會做研究來探討這個極限究竟是多少，至少我們現在認為到達300Wh/kg-350 Wh/kg應該是沒有問題的，這是單體。真正到系統，可能在250Wh/kg，也就是到2020年至少可以達到200Wh/kg左右，應該說比現在的大約提高一倍。這是美國能源部對鋰離子電池發展現狀和趨勢的一個判斷，我們也基本是認同這個判斷的。

　　當然，為了達到這個系統，單體材料層面當然就要達到80Wh/kg左右。日本應該說也是有類似的看法，在2020年，達到300 Wh/kg，這是他們的一個基本判斷。這種電池將會采用硅碳復合的負極，高電壓的電解質，以及富鋰的固溶體或者高鎳的三元材料，這個材料體系目前應該說從基礎層面基本上是清楚的，關鍵是如何把它開發出來，也就是說我們現在其實300瓦時每公斤也可以做到，但是壽命非常短，尤其負極的硅這種材料充電的時候膨脹比非常大，容易迅速衰減，所以它現在提高壽命，如何來解決硅負極的相關問題，這是目前技術攻關的一個重點。

　　根據國外的趨勢，中國2020年的一個基本的發展目標，高比能量電池目標也是要達到300Wh/kg，壽命1500次，成本0.8元，系統比能量大約210Wh/kg，這是按照單體的70%，比現在約提高一倍。如果用這樣的電池，我們用相同重量也就是200kg的電池的話，我們現在的性價比比較好的電動車續駛里程可以到300公里以上。現在的純電動車的成本，主要增加的是電池，如果能把電機這些驅動系統跟傳統的內燃機相比的話，大約還可以節省出5000到1萬塊錢用于電池，也就是說我們現在比燃油車貴的部分主要是電池，當然電機比發動機要便宜一些，但是也便宜不了太多，可以勻出5000到1萬塊錢給電池，其余多的錢就是增加的。按照我們購置和使用綜合考慮的話，在2020年之后，小型電動車，比如說城市代步用的200到250公里左右，應該可以跟燃油車競爭。這是我們電池的技術路線圖。

　　在邁向高比能量鋰離子電池的過程中，大家可以看到我們電池的成本下來了，比能量提高了，續駛里程上升了，我們電動車可以競爭了，但是這中間有一個重要的問題是，在這個過程中，安全性將會變得更加突出。大家可以看一下，這是我引自寶馬的一張圖，能量密度，比方說這是現在的，2018年的，2020年的，2025年的，在持續上升，但是我們的安全性并沒有大的變化，安全性面臨的挑戰，越往高比能量走挑戰越大。所以我們必須下面對安全性要受到進一步的高度的重視，也就是說我們性能提高了，但是耐久性和安全性的問題將更加突出，這是我們面臨的三個問題，安全性、耐久性、動力性，最核心的是安全性問題。

　　下面我說一說動力電池的安全性是一個什么樣的問題。

　　我們先看一下，我們安全性的問題概括起來叫動力電池熱失控，也就是到達一定的電池受熱到一定溫度之后，它就不可控了，溫度直線上升，超過500℃、1000℃，然后就會燃燒爆炸。為什么會有這個問題，首先過熱會引起這個問題，溫度上來，最終都是溫度上來導致的，它會觸發電池里的副反應，隨著溫度的升高，我們電池里會產生一系列的副反應，這些副反應都會放熱，導致熱的失控。另外一種原因，電觸發的，比方外部短路、內部短路、過充，這些都會導致產熱，然后形成熱，然后產生熱失控。還有一個原因就是碰撞，比方說車輛的碰撞、擠壓。擠壓之后就像一個針刺了電池一樣，然后短路，短路這是一個電的觸發，然后再產熱，然后熱再引起熱失控，這是大概它的幾個誘因。這是熱失控的過程，隨著溫度的升高，會觸發不同的副反應，比如說石墨負極與電解液的反應、電解質的分解、大規模的內短路等，導致最后電解液燃燒，最后熱失控，放熱速率會非常快。一個熱失控之后會導致它在一個電池里面的傳播，比方熱失控在第一個中間過來之后，它就會隨著在整個電池組里面迅速擴散。

　　我們看幾種不同的熱失控，第一種是過熱的熱失控觸發，比如說插電式的普瑞斯。我們來看那個熱失控的過程，這就是個三元電池的熱失控過程，我們可以看出它分成幾個階段，隨著不同時間、不同的溫度，底下是它不同的熱失控的反應，可以看出溫度逐步上升，到這個時候溫度就直接往上竄上，電壓直線下降。為了研究熱失控，我們需要采用一種量熱儀，這就是一個加速的量熱儀，動力電池各種復反應放熱的過程都可以量出來，由此可以確定每一個副反應集合起來的溫度的上升，也可以進行整個動力這個過程的一個模型的計算，由此我們可以在此基礎上對這個溫度進行一個預測和判斷。這是過熱的原因和解決辦法，包括電池的選型和熱設計的不合理，或者外短路導致電池的溫度升高，或者是電纜的接頭松動等，解決辦法兩個方面，一個是電池的設計，一個是電池的管理。

　　比如說我們可以開發來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應，比如說這就是一種新的材料，溫度到這個之后就平了，這是從材料設計的角度。另外一個，電池管理的角度，我們可以來預測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級。比如說在不同的階段，我們可以算出它的溫度是多少，來判斷定義不同的安全等級，來進行分級報警，這是第一個問題。第二個問題，過充電觸發的熱失控，比如說前一階段出現的電動巴士的燃燒就是這個原因，這個原因最后發現是電池管理系統本身對過充電的電池管理系統的電路沒有功能安全，導致電池的BMS已經失控，然后還在充電導致的。

　　我們可以把過充電這種情況也來進行一個試驗，可以看出在這個過程中，我們跟剛才的過熱觸發不一樣，這是過充電的倍率，20%的SOC，到60%就開始失控了。基本上是在20%到38%，這個時候負極會下降到0，鋰金屬會析出。在第二個階段，電解液在高電壓下分解，溫度加速上升，電池開始膨脹，到160%SOC的時候電池膨脹到破裂，電池的電壓內阻快速升溫，熱失控就發生了，這是過充電導致的熱失控，跟剛才的熱失控機理是不完全一樣的。怎么辦，我們可以看出過充電的原因和解決辦法，首先是充電機的故障，這個可以通過充電機的完全冗余來解決。第二是電池管理的不合理，管理的不合理比如說沒有監控每一節電池的電壓。

　　給大家介紹一個辦法看看如何會產生過充電，這是一張電池組的理論圖，橫坐標是容量，縱坐標是電量，電量等于容量，充滿了，綠顏色的是單體，大紅點是整個電池組的容量，其他是各個單體的容量，充放電的過程可以看出充電的時候最早有一個單體到達，放電也有一個單體最早到達，這就是最小充電電量和最小放電電量的單體，這是充電的時候最容易到達，最快到達的那個就會形成過充。就是現在這個小紅點就是最容易過充的，我們用這樣一張圖可以把電池系統基本上分清楚。我們再看看，隨著電池的老化，各個電池之間的一致性會越來越差，當然過充就更容易發生了，還有一個問題，就是電池組的容量比單體的容量下降的更快，紅點，底下的這個就是電池組容量的下降。

　　所以我們必須了解這個過程，在此基礎上，我們要進行整個電池組的均衡，來保持一致性電池組，這就是一個均衡的原理。大家可以看出對一個串聯的電池組，我們現在主要是先并后串，這是最常見的電池組組合方法，先并完以后再串，這是一個串聯的電池模塊合起來的這些小綠點就是各個單體或者并起來的大模塊。他們串起來，就是這樣的情況。我們可以看出，第一我們這是一個，這些單體把它一致性起來，最后可以得到電池組容量就是那個最小容量的單體，這是我們可以達到的最大的電池組容量，也就是說一個串聯電池組容量，它實際上最好的情況就是跟最小容量的單體一樣大的容量。有了這個一致性之后，我們容量也回升了，同時過充這種情況也會防止。為了實現這個一致性，我們就必須對各個單體進行容量估計，也就要有一種方法來進行容量估計，這就是我們根據充電曲線的相似性來進行全體電池組的狀態的估計，也既是說我們只要知道了其中一只單體的電池的曲線，其他的曲線應該跟它是相似的，經過曲線變化，他們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易算了，也就是說根據一個單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法我們就可以進行剛才的一致性的均衡，當然這種算法的時間過長，所以要進行簡化。

　　第三種就是內短路觸發的熱失控，比方說波音的787事件，最后找到的原因，電極和隔膜上有金屬物，有了內短路，但是我們無法100%確認這個熱失控是內短路觸發的，但是它是最可能的原因，因為找不到其他原因，而且內短路沒辦法浮現。內短路是什么原因，有三種，一種是電池制造雜質，金屬顆粒，另外是充放電膨脹的收縮，還有析鋰。內短路是緩慢發生的，時間非常長，而且你不知道它什么時候會出現熱失控。而且這個試驗也是無法重復的，現在我們還沒有找到能夠重復由雜質引起的內短路的過程。

　　目前全世界都在研究這個問題。要解決這個問題，第一個方面是電池的選擇和電池單體容量的選擇，當然你要找到好的電池廠商，它的品質要好；第二個是內短路的安全預測，我們在沒有發生熱失控之前，要找到有內短路的單體。我們必須要找到它的特征參數，怎么辦呢，我們先從一致性著手，剛才已經提到過一致性，從一致性著手電池是不一致的，內阻也是不一致的，我們只要找到中間有變異的單體，我們就可以把它辨別出來。怎么辨別，有一個辦法，這就是正常的一個電池的等效電路和發生了微短路的等效電路，我們把它的方程寫出來的話，方程的形式實際上是一樣的，正常單體、微短路的單體，只不過這里頭的參數發生了變化，所以我們可以對這些參數來進行研究，它在內短路變化中的一些特征。比方說內短路單體的電勢差，它的內阻跟其他單體的差異，這些都會有特征。我們根據這些特征，把這些特征辨識出來，我們要利用模型來進行單體的辨識，因為我們可以到每個單體的電壓，每個單體的電流，這些我們都是可以測的，利用這些數據再結合模型，我們就可以把每個單體的內阻估出來，把它的這些參數全部估出來。根據這些參數的變化，我們來判斷它的一致性是否發生了顯著性變化。第三種觸發是機械觸發，比方說碰撞，特斯拉就是這樣的，特斯拉在美國撞過好多輛車，我們清華大學跟MIT共同合作對特斯拉在美國的碰撞事故進行過分析，這是我們分析的一些結果。如果我們在實驗室進行碰撞的一個仿真，最接近的就是針刺，用針里來刺這個電池，這是一個三元電池的針刺的試驗結果，紅的那邊是溫度場，中間的溫度高，右邊是熱失控的過程。我們如果做其他的，比如說磷酸鐵鋰電池，顯然在這個過程中它就沒有三元電池那么厲害，大家可以看電池極的溫度，基本上最高溫度在120℃，可以看出不同的材料在針刺的時候反應不一樣的，磷酸鐵鋰相對安全。所以我們到現在為止，仍然堅持在大客車中間主要使用磷酸鐵鋰電池，暫時還不宜大規模使用三元電池，尤其對12米大客車。再比如碳酸鋰電池，它也問題不大，不同的電池類型表現情況是不一樣的。

　　為了研究針刺，我們做一些三維的仿真模型，這是三維仿真的針刺之后的溫度場的變化和電壓變化。我們也可以做碰撞，怎么撞的，撞了之后怎么變形的，這些我們也做過很多研究。在此基礎上來進行安全性的設計，比方這個碰撞要解決的辦法就是電池的安全保護設計，這個是很有講究的。熱失控發生之后，它會往下傳播，因為第一節熱失控之后它會有傳熱，然后開始傳播，比如說有一個，然后整組像放鞭炮似的一個一個接下來。傳播我們可以建立一個模型，中間溫度升高率，化學能電能的產熱，還有傳熱對流等。整個熱電耦合的模型，我們可以用前面說的量熱儀來做一個相關的定量的分析。有了傳播模型我們就可以設計如何來阻斷和抑制，這就是要加隔熱層。但是加隔熱層也不是個簡單的問題，加厚了體積大，而且隔熱層跟冷卻又是矛盾的，所以這些都是需要解決的問題。總之我們在熱失控擴展和抑制方面，我們也是從安全保護設計和電池管理兩個方面來著手。