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欧阳明高:动力电池低成本安全续航1000公里不可能!

日期:2021-12-11    来源:储能头条

能源资讯中心

2021
12/11
09:38
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关键词: 欧阳明高 动力电池 磷酸铁锂电池

近日,在中国电动汽车百人会2021年度媒体沟通会上,中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高以《推动新能源汽车可持续增长》为题,对当前新能源汽车热点话题进行重点答疑并发表见解。储能头条将欧阳院士就新能源汽车技术趋势、电池技术趋势及充换电趋势三个主题的主要观点辑录在此:

2021年新能源汽车技术与市场亮点及中长期趋势

今年新能源汽车市场爆发原因应该说是技术进步、产品丰富、政策给力的结果。技术方面,电动车电池技术持续改进和成本下降,电池系统的结构设计持续创新,比如刀片电池、C2P等大规模应用,磷酸铁锂电池大规模装备轿车。

今年1-10月全球广义新能源乘用车销量达到 702 万台。中国新能源乘用车世界份额占比 51%。根据S型增长曲线的经验判断,全球汽车电动化已突破临界点,进入陡峭增长期。我估计明年中国新能源汽车销量会继续增长到500万台,这还是受限于电池供应、芯片供应和产能。如果没有这些限制,完全看需求可能比这个更高。现在有些大厂已经受到了产能的限制,供不应求,交货都要四五个月。明年的市场占有率,全年看肯定在20%以上。

对于未来整车技术趋势,大家关心两件事情,一是千公里续航,二是滑板底盘。

大家可能会关心我年初说的一千公里续航问题,我不是说一千公里不可能,而是说一千公里续航同时还在几分钟充满电,还安全、成本低,这不可能。我不反对一千公里续航,只要市场有需求,技术上是完全可以做到的。从豪华电动车角度这个可能是一个趋势,但毕竟一千公里续航需要的成本是比较高的,只能是豪华SUV这种档次的,有装电池的空间,客户愿意买单等等,这主要是市场驱动的产品开发。当然对技术的要求也会相应提高,例如,一般会采用800伏高压电气构架,高比能量高镍三元锂离子电池,部分厂家还可能尝试固液混合的高镍三元锂离子电池,而且安全技术的要求也会更高。

另外一个大家很关注的技术是智能滑板底盘。最近美国有一家叫Rivian的公司因为推出智能滑板底盘备受追捧。其实滑板底盘这个技术,在好几年前的百人会我就讲过。这个概念很早就有,比如通用汽车推出的滑板汽车概念车大概是在2002年,是一个燃料电池的滑板车。特斯拉也有类似的概念,也有一个平板的底盘,但是它的车身还是半承载式车身。由于电池系统通常是一个扁平化的结构,所以凡是纯电动车专用平台,都跟传统的燃油车平台差别较大,都带有扁平化的滑板的基本概念。

电动化整车平台可分为三种:一种就是现在基本上借鉴燃油车的平台概念,并没有一个完整的底盘,采用的还是承载式车身。第二种就是特斯拉推出的Model S,有一个扁平式底盘,但采用的是半承载式车身。第三种就是Rivian推出的是完全的滑板底盘,可以承受碰撞,采用非承载式车身,车身可以做得很轻,采用各种轻量化材料。底盘不变,可以方便地做成各种车型。这是技术多年演变的结果,代表了技术发展趋势。尤其是电池系统做得越来越扁平,电机比功率越来越高,电机/逆变器/驱动轴三合一用得越来越多,可以实现真正的滑板式底盘平台。再配合智能化主动避撞,将来碰撞越来越少,车身可以做得越来越轻,甚至用塑料或者布做都是可以的,车型开发周期就可以非常短,花样可以无限多,个性化非常强,这会给汽车的设计制造带来一场革命。

基于我们团队的计算分析和综合判断,我对中国电动汽车市场有一个总体的预测。估计在2025年我国新能源汽车销量会在700万到900万之间。2030年,大致是在1700万到1900万。从保有量的情况看,2025年会超过3000万辆,2030年大概接近1亿辆,2035年大概接近2亿辆,2040年接近3亿辆。

未来产业格局演变,我认为各合资企业会在明后年集体发力,2023年中外品牌新能源汽车的竞争将进入激烈期。

从核心技术看,国产品牌是有实力的。首先是电池技术,电池占到电动汽车技术含量的60%,目前这一代电池技术中国是占主导地位的。当然现在日本等国在大力发展下一代全固态电池,这方面我们还是有差距的。但是全固态电池技术产业化并对市场格局产生重要影响估计还要10年左右,我国电池领域研发队伍规模在全球遥遥领先,年轻人才辈出,只要不断努力,我相信最终我国是能够走在前头的。至于电驱动这一块,还有电力电子,跟国外比,总体看不相上下。尤其是以比亚迪为代表的全技术链贯通的企业,技术实力在全球也是排在前面的。

从供应链看,我国动力电池产业链完整,全球70%的电池产能在中国,产品供应全球。虽然美国和欧洲正在全力以赴打造电池产业链,而且中国电池进入美国市场可能也会受到一定障碍。但总体而言,中国动力电池的产业竞争力在相当时间内难以撼动。当然,近期芯片供应成为了卡脖子问题。其实汽车芯片只占全部芯片的大概10%,目前主要还是周期性供需失衡问题。而且汽车对芯片集成度要求低于手机等产品,从中期看,我国自主技术不难解决新能源汽车芯片问题。

动力电池可持续发展技术路线图

随着电动汽车爆发式增长,大家对动力电池可持续发展非常关注,提出了很多问题。比如动力电池全生命周期的碳排放与材料回收;未来电池材料体系的中长期发展路线图;动力电池全链条的智能化与智能电池技术等。

首先说说动力电池的装机量。我国动力电池装机量随着电动汽车的快速增长而增加。2021年1-9月份共装车0.92亿千瓦时电池,全年预计1.5亿千瓦时左右。预计2025年在6亿千瓦时左右,2030年在15~20亿千瓦时之间。国外机构基于2030年全球5500万辆电动汽车年销量的激进预测,给出的全球2030年汽车动力电池的年装车量结果是50亿千瓦时,而保守的预测结果是30亿千瓦时。

基于电动汽车保有量可以预测中国车载电池的总保有量,预计2025年就会超过20亿千瓦时,2030年会超过70亿千瓦时,2035年会超过150亿千瓦时。

由于电动汽车市场火爆刺激上游电池产业快速扩产。据统计中国动力电池规划产能2023年达10亿千瓦时,2025年接近25亿千瓦时。当然规划产能会大于动力电池的年产量,同时年产量中除了新能源汽车电池外还有储能电池等一系列其它用途,我们估计2025年电池总出货量在10亿千瓦时左右。

电池产量的快速膨胀会刺激上游材料周期性涨价。同时也会引起公众对材料资源短缺的担心。从潜力看,全球锂资源经济可采储量为2100万吨,如果按三元811电池材料体系算,可以生产电池2000亿千瓦时。按平均一辆车100千瓦时算,可以制造20亿辆电动汽车。当然不能全部用于汽车电池,好多别的地方也要用。但这是经济可采储量,总勘探储量是8600万吨。而且因为总勘探储量近年还在不断增加,似乎问题不是很大。但是钴的资源就没有那么乐观了,经济可开采储量也就710万吨。按照这个算,就只能做950亿千瓦时。至于锰就没有问题了,非常富余。问题是,资源分布是不均匀的,锂矿的3/4在澳大利亚、智利、阿根廷。钴矿的2/3是依赖于非洲的刚果金。镍矿的一半依赖于印尼和俄罗斯。资源分布是极不均匀。所以,资源的压力还是有的,我们不能掉以轻心。

大家还要考虑一个问题,不是说我们把这个资源做了电池就消耗掉了。它不是石油,石油是烧了就没有了,材料是可以循环的,并不是消耗完了就不能再做车了,那些资源还在,我们需要循环,我们不会等到资源用光了才去循环,中国已经开始进行电池资源回收了。所以,现在大家很关注电池材料的循环。如果循环利用做得好,支撑发展问题不会很大。

但大家还是会担心,材料循环要耗能、要排放,电池生产也会耗能和排放,可持续发展也是个重大问题,也就是电池全生命周期的碳排放是一个问题。以三元高镍811锂离子电池而言,每千瓦时全生命周期碳排放大约是87公斤。三元电池相对碳排放是比较高的。主要原因在正极材料,包括它的前躯体和正极材料制备的碳排放就占了总排放的一半。磷酸铁锂电池全生命周期碳排放相比三元NCM811化学体系约降低三分之一。至于钠离子电池,碳排放就更低了。

怎么解决碳排放问题?第一,电能清洁化,现在电池产业链要尽可能往西部转移,现在四川、贵州、云南、青海是非常合适的地方,比如四川的电池产能现在大约在5亿千瓦时,宜宾一个地方就有1.6亿千瓦时,这是全球单个最大的电池基地。总之往西部转移,利用可再生能源和当地资源优势,这是一个根本途径。第二,电池回收利用再生制造。第三,全产业链生产工艺的改进、提升关键环节的能效。

从回收的角度看,2025年中国需要回收和梯次利用的电池总量就将达到1.25亿千瓦时。国家非常重视电池回收利用,国务院、发改委、工信部、发了很多的文件,社会各界也非常的关注,现在满足新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件有14家回收利用企业,将来还会继续扩大。

主要的回收手段现在有三种,干法、湿法和物理回收。干法就是烧,能耗偏大,环保问题还是有的。湿法就是生产效率偏低一点,设备比较复杂,也有一些腐蚀性的溶剂。现在最推崇的是要进行物理回收、电池修复和材料再生的科技创新,比如英国政府有专门搞电池回收的科技专项,也发明了一些新的方法,比如大功率超声波回收方法等。电动汽车退役电池要通过精确的电池剩余电量测试,进行分选。然后分门别类进行修复、梯次利用和材料回收再生。

从电池全生命周期减排的潜力看,在现有电力结构下,物理回收减排超过50%;湿法回收减排32%;火法回收减排3.5%。随着绿电比例的提升, 2030电力结构背景下碳排放再降低12%;2050电网深度脱碳背景下,碳排放再降低75%;100%绿电可以实现电池生产制造全生命周期近零排放。

大家还会关注,难道一直用锂电池吗?会不会有别的电池取代现在的锂电池,这就是动力电池技术可持续发展问题。首先,锂离子电池还会用很久。当前这一代锂离子电池的比能量上限大约是每公斤300瓦时左右,新型锂离子电池可以达到每公斤350瓦时到400瓦时之间。2025年会出现与现有液态电解质锂离子电池比能量大体相当的第一代全固态电池。2030年后出现第二代采用新型正负极材料的全固态电池,比能量会提升到每公斤500瓦时,还会有高比能量锂-硫电池、金属空气电池。

纳离子电池现在已经出现了,但是各方面性能还不能满足高性能汽车使用要求。预计到2035年,钠离子电池、钾离子电池性能会大幅提升,比能量会达到每公斤300瓦时左右。与现在的高比能量锂离子电池相当。从电池产业可持续发展角度看,估计现有的锂离子电池,包括固液混合的锂离子电池,2030年之前还是绝对主导地位。

第一代全固态电池产业化,占市场比例接近1%的时间点可能在2030年左右。2035年之后,新一代固态电池,钾、镁、钠、锂-硫等各类电池会进入市场。到2050年,液态锂离子电池有可能减少到大约20%。这是参考国外资料加上我们的理解做了一些改进做出的长周期粗略预测。以便让大家对电池的可持续发展充满信心。

最后还要讲一个趋势就是电池的全链条智能化。上面说到材料要回收,同时还要开发新的材料体系。还有就是现有材料怎么挖掘性能潜力。每一种电池材料比容量都有一个理论值,但实际上做出来的电池产品是很难达到这个理论值的。这是因为我们现在的材料合成与电池设计还主要采用“试错法”。

通过智能化手段可以使我们的设计进一步优化,比如材料基因组,基于人工智能的材料筛选和设计,我们可以利用仿真设计,再利用智能制造,应用过程中的智能电池管理,最后到达使用寿命后智能回收,实现全过程智能化。这是欧盟的2030年电池计划的核心思想。就是通过智能设计,使电池实际性能与理论值之间差距减少一半;智能回收最终使回收原材料的利用率接近100%;全生命周期的碳足迹减少1/2。科技的潜力是非常大的,动力电池的可持续发展是有保障的。

快充快换、车网互动及电动汽车智慧能源

超快充电问题。大家对电动汽车仍然不太满意的是充电不如加油快。今年十一长假,很多用户抱怨电动车变成了“电动爹”。其实高功率型动力电池是可以像加油一样超快充电的,但其比能量低,无法满足长续航要求。现在长续航的电动汽车越来越多,装的都是强调高比能量的能量型动力电池,要想超快充电就不太容易了。比如350千瓦超快充电,5分钟充接近30度电。要解决的问题不少。充电倍率太大,电池受不了。充电电流太大,车受不了。充电功率太大,电网受不了。为此,电池本身要具备快充能力,即比较高的峰值充电倍率。车载电气系统的电压要提高,如增加到800伏以便在超大功率充电时减小总充电电流。最好采用储能电池放电以达到350千瓦的高功率以减轻电网负荷。这样才能便于超快充电。

这中间最难的还是动力电池本身快充潜力的发挥。大家知道充电过程是最容易发生安全事故的,主要原因是快充导致锂枝晶造成内短路。为此,需要开发无析锂的快充技术外,还要选择超快充电区间和幅度,研究表明比较合适的是在电量低到一半以下,5分钟充1/3的电量,而不是充满,充满会遇到很多问题,安全问题、寿命问题、发热问题等等,得不偿失。

超快充电应当主要用在高速公路应急补电。比如现在五六百公里的车,5分钟充1/3电量就是200公里,这是比较科学合理的。除了解决这个核心问题外还要考虑全气候,比如冬天和夏天,冬天要加热,夏天要散热。所以,必须还要配备快速加热、快速冷却。快速加热现在可以做到每分钟最高升温7℃,或者接近8℃。夏天还要加大强制冷却的功率。我们团队已经开发出满足上述要求的超快技术。现在中国电力联合会制定的超级快充标准已经开始公开征求意见了。我的团队与壳牌合作在加油站已经建设了几个超快充电示范站进行试验考核。

基于储能电池放电的超级快充其储能电池从哪儿来?有两种办法,一,直接带储能的充电站,但成本偏高。二,跟换电结合。因为换电本身就有很多电池是备用的,备用电池就可以做储能电池。商用车快速换电这个趋势已经非常明显了。工信部已经在全国进行换电试点,我的团队也在宜宾等几个城市做换电。总的来看,目前高出勤率、重型载荷、短途运输的卡车搞换电是最火的,比如矿区、建筑工地、钢铁厂、港口等等,这是首先要进行的,将来逐步扩展到城市和高速公路。

我们认为,快速充电和快速换电相结合,卡车快换轿车快充,换电备用电池给轿车快充,将是一个优势互补资源共享的解决方案。而且这种快充快换站的使用与原先燃油车加油的习惯和频率、及位置很接近。大能源企业非常适合在加油站建设快充、快换耦合站。同时,快换的电池实施租赁,能源企业开电池银行。

对大能源企业来讲,这也是转型的一个非常好的方向。因为在燃油车的时候,能源就是柴油汽油,燃油车是一种能源消耗型的交通工具,电动车是一种材料循环型交通工具。对于材料循环最好的方式是拥有电池,石油公司拥有了电池就拥有了材料循环,也就拥有了材料,跟拥有石油是完全类似的。长期看,这是一种比较合理的商业模式,我相信会有极大的前景,而且大能源企业一定会介入。现在的充电企业会面临新的竞争压力。

慢充与车网互动。据统计目前家用电动汽车充电量的75%是通过慢充获得的。而慢充主要是在家里慢充。随着电动车数量快速增加,慢充会给电力负荷带来很大压力。北京现在已经快40万辆电动汽车了,而且使用频率大大高于燃油车。现在每天上下班车流里至少有20%的电动汽车了,很快就会30%、40%。大家下班回家都充电,电力系统受不了。现在深圳等地已经出现这个问题了。

所以,无序充电的时代即将结束。之后就会进入有序充电阶段,会有后台来管理充电,通过电价机制把充电调整到电力负荷低谷区间。现在深圳已经开始做示范了。管理充电的信息网会智能调度电网的充电能量,能源互联网的雏形就出现了,这是一件非常非常大的事情。有序充电还是单向的能量流动,控制一下什么时候充。

再进一步发展就是双向的,电动汽车电池会既充电又放电。比如,电动汽车与建筑或者房屋连接构成一个能源系统,也就是电动车作为一个储能装置,可以给建筑供电。地下车库都停着我们的电动私家车,将来晚上的电价跟白天电价差别会比较大,比如阶梯电价差1块钱,就会有收益。随着向可再生能源转型,风电光伏发电波动大,电多的时候先储储存一部分,没电的时候再放出,这样一来储能的作用会很大,电价差也会越来越大,电动汽车作为储能装置的价值就会发挥出来。

前面提到,2025年电池汽车车上的电池容量就超过20亿千瓦时了,到2040年3亿辆电动车,一辆车平均65度电,就是差不多200亿度电,就是我国今天全社会一天消费的总电量。

总之,电动汽车储能的潜力极大,会是一个巨大的蓝海市场。现在,各级政府都在面向双碳目标大搞碳减排。其中最重要的途径之一就是基于电动汽车的智慧能源,包括光伏、电动车电池、充放电装置、家用电器连成网,一个小区、一个单位、一个社区可以形成一个一个微电网,一个行政区有许多微电网联起来变成区域电网。最后形成整个城市的智慧能源,成为绿色智慧城市的重要组成部分。

大家可能会疑问,电动汽车是分散的、移动的、随机使用的、充电装置也不是到处都有的,这种理想的结果如何实现?

首先,慢充设施要大普及。慢充今后的规划是每辆车至少有一个充电桩,最好有两个,就是工作单位和家里各一个。最终理想的状态是车停下来就会接入电网,这样才能形成储能和电网互动这种功能的实现。实现的手段很多,比如利用车载双向充电机,车下只是需要一个智能插座就可以了,智能插座其实是解决结算问题,就像我们骑共享单车,只要骑了就可以结算。现在可以充电的地方其实还是很多的,220伏插座很多地方都有。但问题是,不是你家的电,是不能随便充的。但是如果有了智能插座,结算问题解决了,这个问题就迎刃而解了,这从技术角度看只要有标准规范,安全是有保障的。关键是如何实施。

新的推动力量就是各级城市都要创建低碳城市。需要推广电动汽车,推广光伏、推广储能,这个时候政府会大搞新基建。每个城市每年都有碳减排指标,是必须完成的。如果碳指标降不下来,新的投资就无法上马。这就像以前各个城市竞争GDP一样,现在要比赛碳减排。全国各大能源企业也都在各个地方投资,整县整市推进可再生能源与智慧能源。以电动汽车为核心的电池储能和光、储、充一体化的智慧能源系统很快就会在全国逐步展开。我估计这个进度,在2025年之前主要是有序充电,2025年到2030年会发展出跟建筑和微网互动。2030年之后会与配电网互动。

从系统分级看,底层是充放电的硬件设施,中层会是大量的电动汽车储能和微网聚合商,上层是政府介入的调度管理平台,有区一级的、城市级的,省级的和国家级的国家电网总调度。相关的技术问题并不是非常难,我的团队现在也开始进行这方面的工作,我们正在与合作伙伴一起选择中等城市来做示范。以可再生能源为主体的电力系统的特征将会是分布式、市场化为主。国家电力改革基本政策是两头放开,管住中间,即只管电网,把用户端和发电端放开,建设全国统一的电力市场。我们电动汽车充放电也会是一个市场,充电、放电就跟股票的买入和卖出一样,相当于建了一个电动车的股市,电价低就充,电价高就卖。通过经济激励手段实现对波动性风电与光伏等可再生能源的自动调节与平衡。至于对我们个人而言只用手机APP就可以搞定,这是未来绿色智能城市的一个美好愿景。

最后做一个小结:我们正在从新能源汽车市场的需求不足过渡到供不应求;从政府驱动开始经过市场与政府双驱动阶段,转型到市场驱动为主导的阶段;从培育期、成长期到现在已经进入高速增长期;从示范到商业化现在已经到规模产业化;从乘用车的电动化发展到了商用车的电动化;从电池技术突破的上个十年即将进入燃料电池技术突破的下一个十年;从新能源汽车的量变即将引发汽车整个产业的质变;从汽车电动化即将发展到交通全面电动化,包括电动飞机、电动轮船等;从新能源汽车发展到新能源革命,电化学储能市场在爆发,光伏制氢今年也是元年。国际能源署今年5月份宣称这种大规模工业转型标志着从燃料密集型消耗性能源系统向材料密集型、循环性能源系统的一次大转型。所以,今后二三十年,我认为,汽车工业将引领动力电动化、能源低碳化、系统智能化三大革命,并推动中国工业和经济的全面升级。

来源:中关村储能产业技术联盟

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