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固态电池商用前景引关注
“虽然现在全固态电池应用于新能源汽车的技术还不够成熟，但是，目前中国和日本在全固态电池研发方面都走在世界前列，也最有希望率先做出量产全固态电池。”近年来，锂电池安全事故频发，多个电动汽车品牌屡次发生“自燃”事件，引发公众对锂电池安全性的担忧。在此背景下，越来越多的企业把目光投向了更轻、更安全且充电更快的固态电池。日前，雷诺汽车高级副总裁吉尔斯·诺曼德就公开表示，到2025年，雷诺旗下电动汽车可能会使用钴含量为零的固态电池。据悉，新一代的固态电池产品将由电池公司Ionic Materials提供技术支持，该公司将在美国密歇根州Romulus电池工厂制作固态电池，并拟于今年年底前进行OEM测试。为规避资源制约而研发无钴电池事实上，早在2018年初，雷诺-日产-三菱联盟就已在无钴固态电池领域进行了布局。彼时，其设立了10亿美元风投基金，首个投资即为Ionic Materials公司的无钴固态电池研发。同年3月，丰田及雷诺-日产-三菱联盟还分别表示，拟在2022年至2025年间推出搭载固态电池的电动汽车。“从技术角度看，目前传统锂离子电池的能量密度已达到上限，很难再有突破。同时，由于传统液态锂离子电池中的隔膜和电解液占用较大，且液态电解质在高温下会产生氧化分解、产生气体、发生燃烧等安全问题，所以，目前既能达到高能量密度又能兼容高安全性的固态电池正逐渐成为动力电池技术未来发展的重要方向。”汽车分析师沈建斌告诉记者，固态电池使用的是固体电极和固体电解质，其不仅可以有效减少电池的体积和质量，同时还能有效提升电池的能量密度。“这是针对当前锂电池高能量密度和高安全性相矛盾的特点延伸出来的技术路线，安全指数更高，因而获得车企的青睐不足为奇。”记者注意到，雷诺汽车计划使用的是零含钴量固态电池，而这与普通的固态电池又有何区别？“钴是目前锂离子电池中所必需的贵金属，但其产量稀少，过于依赖它势必会影响到未来电动汽车的发展。”沈建斌坦言，雷诺选择零含钴量固态电池，或是为了消除对钴的依赖，更好地降低成本和避开资源制约。据了解，目前布局无钴电池的车企并不止雷诺一家。松下就曾在2018年宣布，计划在2-3年内将大规模生产的电池钴含量降低一半。而特斯拉CEO马斯克也同样表示过，想要将钴的使用量直接降为零。“这是车企在布局和规避钴资源的制约。”沈建斌表示。技术成熟度仍待加强作为动力电池未来发展的一个重要方向，尽管目前固态电池技术已经得到突破，但业内却普遍认为，由于目前的生产制备成熟度还有待加强，规模化、自动化的生产线还需要进一步研发，固态电池距离产业化、商业化还有一定的距离。“当前市面上的固态电池，通常是有机电解液里面加了一些固态，或者是在固态里面加了有机电解液，安全性好不好，取决于液态电解液所占比例的多少。想要高安全性，还是全固态电池更安全，但全固态电池是一个非常困难的研究方向。”清华大学电池安全实验室主任冯旭宁坦言。“用户希望电池的导电率特别高，因为这样锂离子传输得快，快充和放电能力就会比较好。好比我们拿一杯电解液和一块硬的固体去测它们的导电率，液体电解质的导电性明显好于固态电解质。因此，长期以来没有太多人关注固态电池。”冯旭宁进一步解释。除了技术上的不成熟，成本偏高也是目前制约固态电池发展的因素之一。“在规模化生产和使用之前，固态电池的成本肯定是比较高的，但未来其成本还是能降下来的。因为从电池生产的发展历程来看，如果它能够满足所有的性能要求，成本下降指日可待。” 冯旭宁表示。“虽然现在全固态电池应用于新能源汽车的技术还不够成熟，但是，目前中国和日本在全固态电池研发方面都走在世界前列，也最有希望率先做出量产全固态电池。”冯旭宁表示，未来想要实现规模化生产的固态电池显然是有可能的。沈建斌则进一步表示，固态电池的发展还有很长一段路要走，预计其实现小规模量产或是在2020年以后，大规模应用则需要更长的时间。
来源：中国能源报
全球动力电池装机量首下跌 与中国市场密切相关
中国新能源补贴退坡，这对新能源车企以及动力电池企业带来一定冲击。不过，依然有一些企业通过采取种种措施实现突围。16日，国际动力电池市场调研机构SNE Research发布最新一期动力电池市场报告，2019年8月全球汽车动力电池装机量为7.1GWh，相较去年同期下降10.0%，这也是自2017年以来月度装机量首次呈现同比下降态势，而在装机量排名前十的企业中，有六家企业呈现下跌。其中，下跌幅度最大的是比亚迪，该司产品8月装机量为0.398Gwh，相较去年同期下滑幅度达61.1%，而国轩高科、格派新能源以及日本松下也均呈现下跌态势，此外装机量前十企业以外的企业装机量的同比下滑幅度也接近六成。不过，也有一些逆势上行的企业。宁德时代在今年8月全球市场的动力电池装机量为2.4Gwh，相较去年同期上涨49.4%，位居全球装机量第一。此外，韩系动力电池企业LG化学的当月全球装机量也同比增长近近八成。同时，宁德时代披露的2019年第三季度也显示，该公司预计前三季度归属于上市股东的净利润为30.9亿元至35.7亿元，同比增长幅度为30~50%。SNE Research的CEO金炳周（音译）向第一财经记者表示，全球动力电池装机量首次呈现下跌的背后，这与中国市场有密切的联系。根据中汽协最新披露的数据显示，2019年9月，新能源汽车销售量为8.9万辆，同比下降达29.9%，连续三个月出现下降态势。金炳周认为，由于中国市场在全球新能源车市中所占到的比重太大，导致补贴出现退坡以后，中国新能源汽车的生产成本出现上涨，车企也将成本转嫁至动力电池企业等配件企业层面，中国多个动力电池企业的装机量出现了“断崖式”的下滑。“尤其是比亚迪，受到公司自家新能源汽车销量下滑的影响，此外未能够及时迈出为其他车企供应动力电池的步伐，成为其出现快速下跌的重要原因。”金炳周说。“此外，作为松下的客户，特斯拉在上海新工厂与LG化学展开合作，对于松下的市场表现也呈现负面的影响，反向对LG化学的装机量则呈现正面的影响。”金炳周表示，宁德时代的增长则由于更多方面的原因，一方面搭载宁德时代的中国国产汽车销量增加，同时宁德时代自身也在向商用车、海外市场进行扩张，这也使其在中国市场出现调整的情况下，能够更加有效地进行应对。近日，宁德时代方面曾宣布与大众（拉美）卡客车公司签长期战略合作协议，将就电池开发、制造、回收等地全周期电池解决方案展开合作，共同推进商用车电动化的进程，并共同组建国际商用汽车电动联盟。目前，国内电动汽车市场在全球市场占比超过五成，而与此同时，随着宁德时代与比亚迪等头部动力电池企业市场占有率逐步提高，一方面缺乏资源及技术的中小企业面临更大压力，另一方面头部梯队的企业的技术路线之争也在持续。根据乘联会秘书长崔东树的测算，目前国内动力电池企业中，第一名及第二名之间的差距逐步拉大，此外3~10名的企业每个月都在发生变换，虽然每家企业也通过绑定车企、整合上下游的方式进行竞争，但与头部企业仍然拉开距离。在此背景下，宁德时代在2019年通过产能增大、上下游融合与技术团队扩大方面，试图保持其头部市场优势，并通过收购海外企业、与跨国车企合作等方式，谋求在海外市场的机遇，而比亚迪则在加紧推进2022年实现分拆动力电池业务的目标，并与奥迪、丰田等车企达成合作意向，此外随着新能源补贴退坡的时间接近，韩系动力电池企业LG化学在新港第一工厂已经投产的背景下，位于南京滨江开发区的第二工厂（LG化学滨江新能源科技公司）正着手在华招聘核心生产岗位。金炳周认为，2019年全球电池产量仍然不足，所以要更多的产能准备，但其中绝大多数的市场份额都将属于头部企业。对于目前的市场状况，一位要求匿名的本土中型动力电池企业负责人表示，目前，动力电池市场的窗口期及增长机会仍然还在，而由于补贴所引发的市场下跌也终究是市场化过程中应当经受的痛苦过程，但随着市场竞争导致“大客户”对于动力电池企业的业绩影响愈加增大，拥有技术优势的头部及外资企业将积极争夺整车厂客户及资源，而更多小企业的日子只会更加难过。
来源：第一财经
动力电池回收指南征求意见 分类操作可行性成企业争论焦点
随着新能源汽车产销量的不断增长，废旧动力电池回收日益受到关注和重视。然而，动力电池回收不同于普通物资回收，因其具有一定危险性，并且操作不当会带来污染等问题，需要更严格的标准来保障行业的健康发展。近日，行业内讨论多次的《新能源汽车动力蓄电池回收服务网点建设和运营指南》（以下简称《指南》）开始征求意见。这是去年出台《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》（以下简称《暂行办法》）后的又一重要政策。《指南》公布后，《中国汽车报》记者采访了企业相关人士，但却听到了两种不同的声音。一方认为，《指南》要求严，操作难度大；另一方则认为，严要求有利于行业发展，操作难度并不大，关键是整车厂和回收处理企业如何分好工。■标准适时出台引导行业健康发展目前，我国新能源汽车累计产销量已超过210万辆，已成为全球最大的新能源汽车动力电池生产和消费国，截至去年底，我国动力电池装机量已经超过150GWh。到目前为止，新能源汽车示范推广已经超过10年，逐步迎来了动力电池回收的高峰期。有机构预测，从2018年开始我国动力电池报废量会呈现翻倍式增长。然而，废旧动力电池的回收并不是一件容易的事，在我国汽车产业发展过程中，曾经出现过铅酸蓄电池回收的惨痛教训。有数据显示，我国每年报废的330万吨废旧铅酸蓄电池，正规回收的比例不到30％，大量的废旧铅酸电池进入了“黑市”。出现这种现象的一个重要原因就是，动力蓄电池回收管理体系不完善。为了扭转不利局面，避免重走铅酸电池报废回收的老路，去年我国出台了动力电池回收《暂行办法》。按照《暂行办法》的要求，确定了第1批《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》企业名单，5家企业分别是衢州华友、豪鹏科技、格林美、邦普循环和光华科技。浙江华友循环科技有限公司总经理鲍伟在接受《中国汽车报》记者采访时说：“有些企业和投资机构误以为动力电池回收是一片蓝海，纷纷冲进动力电池回收领域。但同时，动力电池回收的政策不明确、标准也不规范，造成了一定的市场混乱。”鲍伟表示：“从公开数据来看，我国已有较大数量的废旧动力电池需要回收处理，但从实际情况来看，正规企业回收的数量并不多。这需要探究一下原因，是当初的预估数据高了？还是大部分流入了非正规渠道？”面对行业乱象，也为了进一步做大做强回收市场，高标准、严要求的《指南》适时出台，为行业健康发展带来了积极影响。首先，在网点布局方面，《指南》要求，新能源汽车生产企业应在本企业新能源汽车销售行政区域（至少地级）内建立收集型回收服务网点，在本企业新能源汽车保有量达到8000辆或收集型回收服务网点的贮存、安全保障等能力不能满足废旧动力蓄电池回收要求的行政区域（至少地级）内建立集中贮存型回收服务网点。其次，在网点场地方面，《指南》要求，收集型回收服务网点的贮存场地面积应不低于15平方米，废旧动力蓄电池贮存量应不超过5吨；集中贮存型回收服务网点的贮存面积应不低于100平方米，废旧动力蓄电池贮存量应不超过40吨。第三，在日常运营方面，《指南》要求，新能源汽车生产及梯次利用等企业应依托回收服务网点，加强对本地区废旧动力蓄电池的跟踪。回收服务网点负责收集、分类、贮存及包装废旧动力蓄电池，不得擅自对收集的废旧动力蓄电池进行安全检查外的拆解处理。废旧动力蓄电池应规范移交至综合利用企业进行梯次利用或再生利用。第四，在安全方面《指南》的要求更高。《指南》指出，废旧动力蓄电池应独立贮存，不得与其他货物、废物混合，不得侧放、倒放，不得直接堆叠。A类废旧动力蓄电池应进行清洁等处理，B类及C类废旧动力蓄电池应进行绝缘、防漏、阻燃、隔热等特殊处理。处理后的废旧动力蓄电池应正立放置于货架上，且应预留出电池起火辐射范围。多氟多化工股份有限公司总经理赵永锋告诉记者：“高标准、严要求的《指南》给行业发展带来了积极和正面的影响。”■一方观点：操作难度大部分条款需修改不难看出，《指南》将对行业发展起到积极的引导作用，不过，对于具体实施内容，企业却表现出了不同态度。有企业反映并不是所有条款都实用，操作难度也比较大。首先，将动力电池与铅酸电池同等对待并不合适。一般认为，铅酸电池造成的环境污染主要有重金属污染和电解液污染，在这两方面我国都曾有过惨痛的教训，因此对铅酸电池的报废回收也有严格要求。成都新能源汽车推广产业应用促进会法定代表人兼秘书长、成都雅骏新能源汽车科技股份有限公司副总裁范永军告诉记者，《指南》对动力蓄电池提出了和铅酸蓄电池同样的严格要求，但他认为这种规定并不符合实际，且要求过于严格。范永军指出：“在新能源汽车动力电池中，镍镉电池的污染比较大，但镍镉电池已经基本被禁止生产，目前主流的锂电和镍氢电池都是相对比较环保的绿色电池。即便电解液有所泄露，也不会对环境造成污染。”其次，回收企业没有分类处理能力。近年来，社会上不时曝出动力电池起火自燃的新闻，即使拆解下来的动力电池静止放置，也可能会自燃。显然，起火自燃成为目前动力电池最大的安全隐患，为了防范这种安全事故，《指南》对动力电池回收提出了分类处理的要求。不过，对此范永军却认为，动力电池标识溯源管理主要是为了梯次利用，对于《指南》分别规定的A类、B类、C类电池的处理要求，回收网点如果没有相应的检测设备，很难判断属于哪一类电池。另外，判断属于哪类电池对回收网点人员的技术要求比较高，回收网点工作人员普遍不具备这种能力，同时企业还需要投入大量的设备，成本较高。“这种分类工作应该由综合处理机构去完成。”范永军说。在具体条款上，范永军也提出了修改意见。“既然回收服务网点不能从事除安全检查外的拆解工作，就没有必要规定废液收集处理作业示意图。“他说。■一方观点：操作难度不大成本才是真正的坎据了解，《指南》是在业内经过长期讨论，大部分内容得到充分沟通的情况下制定的。也因此，《指南》的发布具有很强的指导性，如有很多量化的数字，具有明确的操作要求。对于《指南》的具体规定，不同于范永军的观点，鲍伟则认为，动力电池的分类检测难度并不大。鲍伟告诉《中国汽车报》记者，所有动力电池的历史数据都在整车厂，用历史数据进行大数据分析可以判断出这些电池的情况，比如，是否漏电，绝缘情况如何，是否符合防水要求，是否烧过电解液。“总体来看，这些检测操作难度不大。”他说。在鲍伟看来，在废旧动力电池检测过程中，最大的难点在于有些电池从表面上看不出问题，但事实上却存在着安全隐患。但他也同时强调，即使这些表面不存在问题的电池，整车厂也能检测出来。“整车厂有完整的电池资料和通讯协议，分类检测的难度不大。”鲍伟认为。按照《指南》的要求，废旧动力电池分成A、B、C三类之后，回收企业能够比较恰当地处理回收电池。“这就要求前端的回收检测必须做到位。”鲍伟指出，“前端必须把好关，不能指望后端分类之后再处理。现实的情况是，通讯协议只有整车厂才有，回收企业没有通讯协议不可能把废旧电池进行分类，所以还需前端的整车厂提前做好分类工作，否则后端的回收企业无法分类，会增加回收处理的难度。”鲍伟告诉记者，《指南》的高标准、严要求给回收企业带来的真正挑战在于成本的大幅提升，如何控制成本成为企业必须考虑的问题。不过，目前《指南》还只是征求意见阶段，正式公布之前还会有修订的可能。鲍伟告诉记者：“可能会对一些具体数据进行修改，但无论怎样修改，修改的方向都将始终围绕安全性。”不过，鲍伟也指出了《指南》的不足。他说，《指南》不具有强制约束力，因为没有设置奖惩措施。“《指南》不能只提要求，没有奖惩，这会造成合规企业的成本越来越高，不合规企业反而钻了空子。”鲍伟说。
来源：中国汽车报
当诺贝尔奖的光芒照亮动力电池，技术突破还会远吗？
2019年度诺贝尔化学奖，授予了美国科学家约翰·古迪纳夫、英国科学家斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰，以表彰三位科学家在锂离子电池研发领域的贡献。正是这三位锂电池之父，带领汽车产业敲开了新能源电动汽车的大门。而锂电池带给汽车业的是从化石燃料转至清洁能源的跨越式改变。从钴酸锂电池、锰酸锂电池，到磷酸铁锂电池、三元锂电池，以及最新前沿的全固态电池，看似遥远的诺贝尔光芒，已经照亮了动力电池产业。漫漫锂电池征程纵观锂电池发展史，锂电池在汽车领域的初亮相，三位科学家功不可没。首先要提及的是英国科学家惠廷厄姆，他采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成了世界上首个新型锂离子电池。随后，美国科学家古迪纳夫等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能，而这一材料成为了目前广泛应用于生产生活中的锂电池正极材料。继惠廷厄姆发明了可充电锂电池后，经过反复实验计算，古迪纳夫发现了比先前的硫化钛更适合做锂电子电池阴极的材料——层状结构的钴酸锂。而日本科学家吉野彰则在古迪纳夫的研究基础上，发现了更适合的含锂化合物阳极材料，确立了现代锂电池的基本框架。吉野彰设计的锂离子电池以碳基材料为阳极，以钴酸锂为阴极，完全去除电池中的金属锂，采用了含锂化合物，提高了安全性。1991年，两人合作发明的锂离子电池被索尼公司推向市场，标志着锂离子电池的大规模使用。根据正极材料的不同，这种锂离子电池被称之为“钴酸锂电池”。作为锂电池的鼻祖，钴酸锂电池作为动力电池在电动汽车中的应用并不多。最早用于特斯拉Roadster上，但由于其循环寿命和安全性都较低，事实证明其并不适用作为动力电池。为了弥补这一缺点，特斯拉运用了号称世界上最顶尖的电池管理系统来保证电池的稳定性，但仍无法摆脱安全性的问题，尤其是在剧烈撞击之下。稳定性和成本问题阻碍着钴酸锂电池的普及，使其只能应用于日常3C产品之中。随后，新能源电动汽车也经历过锰酸锂电池时代，该电池由日本AESC提出，最早应用于日产聆风之上，价格低，能量密度中等，安全性也一般的性能，让其逐步被新的技术所替代。磷酸铁锂电池的问世，才算是真正意义上改变动力电池生产和使用现状。相较于钴酸锂的层状不稳定结构，磷酸铁锂电池的空间骨架结构更稳定，锂离子在骨架的通道中也能快速移动。同时，更为廉价的原材料价格，也让磷酸铁锂制造成本更低。尽管磷酸铁锂电池至今仍经久不衰，但其能量密度较低也是不争的事实。因此，尽管其具有高安全性，但其能量密度低会导致其装机电池重量大，目前更多的是应用于新能源客车领域。但2016年以来，三元锂电池开始进入人们的视野。三元锂电池指的是阳极材料使用镍钴锰三种材料按一定比例混合搭配的锂电池，根据材料配比的不同分为不同型号，也因此具备了更多的研究拓展方向。在能量密度方面，三元锂电池明显地优于磷酸铁锂电池。而且由于研究尚处于开始阶段，能量密度的提升甚至技术的突破可能更多，因此，三元锂电池成为更多厂商的选择。目前，主流的动力电池制造商三星、LG化学、宁德时代等都将其作为主攻方向之一。就目前的国内市场而言，三元锂电池虽然兴起较晚，但作为最新最热门的动力电池选择，装机量仍不断增长。高工产业研究院(GGII)最新发布的《动力电池月度数据库》统计显示，2019年1-8月国内动力电池装机量约38.4GWh，同比增长66%。其中，前8月三元锂电池装机电量约为25GWh,同比增长85%；磷酸铁锂电池在新能源客车和专用车中装机量比较大，逐步回暖。热失控难以规避？但随着电动汽车的兴起，动力电池产业的快速发展，其问题显现得也更快。自燃问题首当其冲，热失控成为电动汽车企业尤其是动力电池生产商最为困扰的问题。有研究表明，热失控是引发电动汽车自燃的主要原因之一。在“第三届国际电池安全研讨会(2019IBSW)”上，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高表示，导致热失控的原因中，正极释氧、负极析锂、隔膜崩溃是三个主要原因。理论上讲，除了机械碰撞、充电过充等操作问题，正极和负极结合的时候，负极被氧化，正极释氧与负极反应剧烈放热，也可能导致热失控。而随着隔膜性能的不断增强、正极三元材料镍含量不断提高、释氧温度不断下降，正极材料热稳定性也会随之降低。此外，欧阳明高表示，全生命周期安全性中最主要的影响因素就是析锂，如果没有析锂衰减，电池安全性并不会变差。同样是析锂，析锂的多少导致的结果明显不一样，析锂多的放热量大，析出锂会直接跟电解液发生剧烈反应，引发大量温升，将直接诱发热失控。一位从事锂电池研究的工程师10月10日在接受新京报记者采访时表示，如果锂离子在析出的过程中不能完全嵌入阴极材料，使得部分锂沉积在阴极材料表面，形成尖锐的峰状结构，进一步发展就容易刺穿隔膜，导致电池内部短接，进而热失控引发燃烧爆炸。古迪纳夫曾在2017年2月接受访谈时表示，对于电动汽车中的锂离子电池而言，问题就在于它使用的易燃性电解液，除了易燃性外，当金属锂和盐析出形成枝晶之后，很容易刺穿隔膜导致内部短路，引发燃烧；同时，锂离子电池保持长寿命的工作电压很有限。古迪纳夫认为，锂离子电池的安全问题目前还是比较明显，过度充电等问题很容易造成锂离子电池的安全性出现问题。此外，管理好电池也是电动汽车使用时的一大笔支出。全固态电池时代即将来临吉野彰认为，锂电池未来应用于电动汽车等势必会有更多进展，如果将锂电池应用于新用途、新领域时，必须进行技术改良，但关于锂电池还有很多未知事项。古迪纳夫正在进行的全固态电池研究，便是对锂电池未知事项的探寻。全固态电池将原先的液态有机电解质换成一种全新的固态电解质。固态电解质不仅能够保证原有的储电性能，还能防止枝晶问题的产生，而且更安全，更廉价。目前困扰锂电池的安全问题都将因为全固态电池的出现而改善或解决。在固态电解质选择上，葡萄牙物理学家布拉加为其提供了一种具有良好的锂离子传导能力的玻璃，古迪纳夫立即将这种玻璃引入到全固态电池的研发中。目前，全固态电池的研发已初露端倪，相关成果已经在多个权威刊物上得以展现。锂离子电池甚至是动力电池的未来正在被这位97岁的科学家所改变着。国内方面，宁德时代在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作并取得了初步进展；国轩高科已在日本研究院开展相应固态电池技术研发。而万向一二三和材料公司Ionic Materials对外宣布，共同开发出一款具有高能量密度、高安全且不使用易燃液体电解质的电池。此外，赣锋锂业与中科院宁波材料所合作共建的“固体电解质材料工程中心”也已经在全固态电池无锂征集研究方面取得进展。国外方面，由日本新能源产业技术综合开发机构牵头投资100亿日元，丰田、本田、日产、松下等23家日本汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。而固态电池作为动力电池未来的发展方向，尽管技术层面已经取得一定程度的突破，但目前的生产制备成熟度还需要加强，规模化、自动化的生产线还需要进一步研发，距离产业商业化还有一定的距离。有业内人士分析认为，目前产业布局才刚刚开始，要想真正实现小规模量产预计在2020年以后，大规模应用则需要更长的时间。
来源：新京报
为何动力电池设计困难重重？
以前汽车的电池总是当做即插即用部件，但在电动汽车上，电池的角色发生了改变。现如今，电池是电动汽车差异化关键，也是电动汽车中最重，同时也是最贵重的部件。传统汽车中的蓄电池，原本是一个相当简单的零部件。但在电动汽车中，动力电池组中密布各种传感器，以监测电池发热状况与老化效应，以及动态热负荷与自愈效应。最重要的，电动汽车的动力电池必须在整车架构层面进行设计开发，因为电池的运行状况将影响到整个系统，而且动力电池模块的设计、组装、维护还面临诸多困难。“每个人都清楚，电池是电动汽车中最重要，也最有难度的部件。电池决定了一部电动汽车的重要参数，比如续航里程、成本、安全，以及充电的便宜性等，” 新思科技（Synopsys）研发工程师布莱恩·凯利（Bryan Kelly）说，“续航里程短、成本高、电池组易出毛病，以及充电设施分布不均衡，是当前纯电动汽车面临的主要困难。”电池提供了能量，但它需要被良好地管理与控制，这样电动汽车其他零部件才能正常运作。这就是系统开发思维能发挥作用的地方了。“压缩机、水泵、马达、辅助电源模块，以及车载充电模块，电动汽车需要多种功率电子器件，”凯利说道，“而且，汽车行驶时，上述模块中的功率半导体开开关关，（是耗电的大头），续航问题总会存在。所以电动汽车中总倾向于用大电池，高功率的大电池需要有相应的功率器件来传输能量。这些大功率器件的开关频率要更高，因为功率器件的开关速度越快，传输电能时浪费的越少，电动汽车围绕电池进行系统设计的一切都是为了能效，提高能效是底线。”自动驾驶的引入将会大幅增加开发难度。“（引入自动驾驶）必须要更早在全系统层面进行开发，并研究电池在系统中的作用，”新思科技应用工程经理吉姆·巴顿（Jim Patton）说道，“这需要更多的仿真，因为自动驾驶功能非常耗电。（实现自动驾驶功能）开发人员需要增加一堆摄像头，若干影像处理模块，以及很多别的元器件，这些元器件都会增加耗电。自动驾驶功能是电动汽车中另一大耗电模块，开发人员需要认真计算仔细仿真（以满足系统续航要求）。上述所有功能的实现都要保证安全。开发人员可以自动插入开路或短路的电路，进行大量故障仿真，以应对各种意外状况。比如，如果交流发电机坏了会怎样？我还能把这辆出故障的自动驾驶汽车开到路边吗？“开发人员要能在安全的前提下处理这种故障，并制定相应的策略以应对不同故障。开发人员要对最坏状况有应对方案，当最坏状况发生，能够把电源从非性命攸关的模块切断，而用以维持刹车等关键部件。”巴顿说道。充电的考虑充电速度也是电动车差异化的重要体现。“十年前，我刚开始在这个领域工作时，电池组的成本超过1000美元/千瓦时，”西门子Mentor事业部（Mentor, a Siemens Business）新移动解决方案机械分析部总监普尼特·辛哈（Puneet Sinha）说道，“现在，特斯拉Model 3或者雪佛兰的电池成本，已经接近150美元/千瓦时，电池成本下降非常快。”伴随电池价格的下降，横在电动车面前的主要障碍变成了如何提高充电速度。充电速度要求改变了电池的基础设计。“快充技术的发展，要求电池芯必须能在使用寿命缩减不大的前提下，承受快充条件，而且不能有隐患，”辛哈说道，“电池芯能否耐受快充条件，主要取决于电化学材料。但从电池组层面来看，电极如何设计也会影响到电池组是否耐受快充。这些研究是非常重要的，因为短时间把150到200千瓦时的能量充入电池很有挑战，而且充电时会产生很多热量，所以行业内企业在研究如何在充电时冷却电池的技术。”对这些问题，德拉科汽车（Drako Motors）首席执行官迪恩·德拉科（Dean Drako）颇有同感。德拉科汽车为自己生产的GTE电动超跑设计开发了电池。GTE的电池组支持兆瓦（MW）级功率输出，GTE要实现创纪录的性能，电路的承载能力将受到极致挑战，只有匹配相应的冷却系统，才能实现强劲而稳定的功率输出。“GTE电池具备90千瓦时的容量，峰值电流可达2200安培，支持1800安培稳定电流输出，精心设计的电池组可以为GTE四个电动机持续提供900千瓦的驱动力。电池芯周围密布冷却管，大量冷却管纵横交错，构成大规模并行冷却系统，可以将每一个电池芯的热量快速散发出去。”德拉科汽车网站上这样描述道。迪恩表示，德拉科公司在电池组设计开发上非常努力，锂离子电池设计本身也成为整车架构设计的一部分。“电动汽车电源设计通常考虑续航或功能优先，但我们选择了一条与众不同的路线，因为我们瞄准的是赛车市场。我们造出的汽车要能在赛道上赢得比赛，所以对电源及设计要求都非常高，而且要配备强大的冷却系统，以防止电池过热。电池在充放电时，总有部分能量以热的形式消耗掉，这就是电池的化学特性。”电池与电池组设计的主要挑战是如何适应宽温度范围工作，电池与电池组本身工作温度范围很窄，但汽车工作环境千差万别，需要电池组能够适应宽温度范围与其他严苛的外部环境。电池组中的一个电池芯因过热发生问题，很可能会引发整个电池组的链式反应。“这就是为什么人们喜欢用常规标准电池芯，因为电池芯制造商已经对电池芯做了非常严格的测试，采取多种措施以确保电池芯不会爆炸，”迪恩说道，“到电池组开发阶段，需要的就是在电池组内放置足够数量的温度传感器、电压传感器、电流传感器，时刻监控所有状况。”理论上，每一个电池都会配相应的保险丝，通过微控制器来控制电池组的状态并决定是否熔断保险丝。如果出现过热，要有相应的液冷设备来确保电池组温度能降下来。如果不考虑系统的可靠性、安全、健壮性、功率输出，设计出的电池组将危如累卵。德拉科汽车电池组来源：德拉科汽车Mentor的辛哈同意德拉科的观点，电动汽车充放电不是把车放到有空调的车库去充电那么简单。他表示“我们的很多客户意识到了这些问题。在充放电系统中，电池芯当然很重要，但它只是整个问题的一小部分。如果对电池组的热管理处理没做好，即便选用全球最好的电池芯，也不能保证系统在充放电时的安全。在实现直流快充时，需要考虑的因素很多，开发人员要保证系统能既做到快速充电，又不浪费能源。”“另外，所有上述问题，如果发生，都将影响到整车架构。”辛哈说道。“很少有人能在纸上列出，或者说出如果这个问题发生了，我将这样应对；如果那个问题发生了，我将那样应对。”应对复杂系统设计中数百条问题的排列组合，是专用软件发挥作用的时候，利用软件，开发人员能在系统开始设计时就能厘清有哪些技术选项，怎么才能成本更优化，以及“如果我这样做，将会得到这种结果；如果我那样做，将会得到那种结果”等问题。根据上述分析，开发团队很容易就做出正确决定。这是我们和很多设计软件客户交流时得到的反馈。所以，应用模式决定了采用哪种整车架构。”每个环节都很重要，它们还要上下衔接。“内燃机车与电动车是完全不同的两种开发思路，”辛哈说道，“内燃机技术非常成熟，开发人员只需要选择合适的现成技术，将其融入系统中即可，从车身、座位、到座舱技术，一切都按部就班、有章可循，但电动汽车还不是这样。”数据在哪里？在半导体设计的某些领域，存在数据过多的现象，但在电池设计中，开发人员往往面临数据偏少的问题。“我已经在这个领域有几年，一门心思投入到抓取电池数据工作中，也与客户或制造商一起合作来收集数据，但电池数据真的很难抓取。”新思科技的凯利说道，“（新思科技的工具）不是直接的人工智能，但借助新思科技工具，开发人员可以用最小量的数据，来推测系统的性能。”利用工具生成的可用电池组模型，可以嵌入系统中进行系统级仿真，通过设置充电初始状态、电池组构成参数等条件，来计算系统在典型欧洲工况等场景下的结果。开发团队可以直观地查看各电池芯电压与电流的变化，能量消耗，充电状态，甚至能源效率与续航里程。新思科技的巴顿表示，这些模型是电动汽车设计的关键。“很明显，电池是电动汽车的基础，可能是最有挑战的零部件之一，也是开发人员承担压力之所在，因为电池系统是区分不同电动车的根本。车身重量与整车电池能量是一对难平衡的参数，增加电池数量可以增加整车电池能量，但同时也增加了车身重量，从而增加单位里程耗电量。所以，每一次增加电池容量都要同时考虑增加的车重。”电池的化学特性也应考虑。“电池芯材料有很多种组合，加工成电池芯时也有很多种布局方法，不过我们有时忽略了电池芯材料在化学特性上的难点。”巴顿说道，“功率电子就是这样，连接电池和电动机以及车上所有需要供电的零部件，所以提高功率电子的效率很重要。”冷暖空调系统是另一个需要优化的模块。“最高可能有40%的电能被用于冷却电池，电池需要被控制在安全温度范围工作，”巴顿说，“再加上驾驶舱的冷暖空调，电动汽车在北方冬天时就很狼狈。打开暖空调时，电量下降速度简直像决堤之水，所以我们的消费者希望开发人员能尽快从系统层面进行改善。”上述因素都加在一起，系统级面临的挑战就显得奇大无比。“在系统设计时，把所有这些相互作用的零部件放在一起，各器件又是这么复杂，不进行系统仿真就成了一团乱麻，不知道结果是什么。”凯利说道。车上有太多移动部件，很多行为只靠数学计算得不到正确结果，仿真不再是可有可无，开发人员只有利用仿真工具才能得到全部设计参数。而且，电池本身就是非线性器件，有很多非线性效应，其参数与温度和充电状态都有关。所以，从系统层面来看，任何部件都有不可预期的工作状况，有太多的变量，只有通过工具仿真才能理解整个系统，不然就像在小黑屋里乱扔飞镖一样不知所终。摩尔科技（Moortec）首席执行官斯蒂芬·科罗舍（Stephen Crosher）表示，电池的系统设计困难重重，但这却为更先进技术引入打开了门路，比如片上监控。利用片上监控来实现电池组热监护功能，能够从电池中榨取更多的能量。“不管是给手机增加15分钟播放时间，还是让用户不再因里程焦虑而关闭电动车中功能（比如空调），只要能延长电池寿命，就能改善用户体验。电池系统开发面临的困难也为很多新材料搭起上车之路，尽管这些材料从未在汽车上用过。“以前人们都用硅材料做功率器件，但近年来，宽禁带半导体材料由于在高压、高功率应用中的优异特性，越来越受到重视。”芯师（Silvaco）公司市场高级总监格拉汉姆·贝尔（Graham Bell）说道，“碳化硅和氮化镓是功率器件中的新生力量。”碳化硅市场增长前景反映了功率器件材料变化趋势。“主要受混动与纯电动汽车需求驱动，未来5到7年，碳化硅市场年复合增长率接近30%，”贝尔说道，“从供电设施到为电池充电的直流电源，碳化硅器件在电力输送过程里的电源转换环节用途很广。”碳化硅器件另一个应用领域是用在电动汽车伺服电动机等控制模块中。当然，碳化硅还可以用于汽车电动机或其他部件的稳压电路等高功率电路中。”结论Mentor的辛哈表示，半导体与汽车电子生态圈将迎来波澜壮阔的十年，共同经历汽车行业天翻地覆的变化，并见证最终的胜者。“我们审视历史规律，就能做出清楚的判断，在电动汽车（无论有人驾驶还是无人驾驶）市场，那些触类旁通、锐意创新、不墨守成规的企业有更大的机会赢得未来。这类企业不只遵循百年未变的老传统，要有横跨电气、电子、机械三领域高度的视角，能将跨域技术有机融合，真正将三个领域技术融会贯通。”辛哈说道。辛哈最后表示，“设计、制造与用户体验的不同，决定了如何跨域开发，电动汽车的开发要用一种更开放的融合流程，而不是沿用过去的方法。”
来源：高工锂电技术与应用
风口将至？固态电池量产进展解析
汽车电动化进程中最根本的当属动力电池领域，但由于2019上半年特斯拉、蔚来、比亚迪等先后发生车辆自燃事故，包括最近刚刚“火”了的威马，都导致消费者对三元锂电池安全性的担忧与日俱增，可以说给电动汽车产业发展泼了一盆凉水。另一边，新兴造车势力恒大新能源汽车却在如火如荼地扩张，四处招兵买马，仅9月对外发布的招募令中，就计划招聘8000人，其中与固态电池相关的职位便赫然在列。事实上，固态电池由于其爆炸风险低、能量密度高等特点，市场对其能成为下一代电池的呼声和关注度一直很高。但国内与固态电池相关的政策及法规形势是什么样？目前市场中车企的应用水平到底如何？未来应用后，又会给新一代电动车带来那些变革？带着这些话题，我们来一探究竟。●《深评问道》是什么？《深评问道》是汽车之家首个面向行业端用户打造的栏目，特约汽车行业资深从业者执笔，独家解析／揭秘行业大事件。除了热闹表象，我们更想向您呈现对事物本质、因果以及未来可能性的探究和思考。本期行业评论员——车庸，车企研发主管，多年从事品牌战略、产品研发及市场分析等工作，擅长挖掘行业热点及趋势。60s快速了解核心论点：1、政策端，宏观上国家号召重点推动固态电池的应用，同时通过电动车补贴法规等，要求提升动力电池的能量密度，变相倒逼车企应用固态电池；2、海外车企应用形势上，丰田规划较激进，计划在2020年商业化，其他韩、欧车企计划在2025年左右落地该技术，目前多数海外车企正通过强强联合或投资美国初创公司方式，进行技术开发；3、预计在2021年，国内进入固态电池应用初期，新兴造车势力天际等率先使用，电池能量密度达到300Wh/kg；在2025年左右，进入固态电池应用中后期，传统造车势力长城、北汽等也参与到市场竞争中，能量密度或达到近500Wh/kg；4、搭载固态电池后，预计未来高车级电动车型将增多，同时在产品端续航里程、电池安全性、空间灵活性等都会得到质的提升。●固态电池相关政策动向：逆向倒逼，技术应用的必然日本最大公立研究组织—新能源产业技术综合开发机构（NEDO），在2008年发布的电池研发路线图中，就明确指出，要将固态电池作为未来新一代电池的发展方向。而中国也一直力争在该领域取得全球领先地位，所以在2017年2月由工信部等四部委联合发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知中，便首次提出要重点推动固态电池等新体系动力电池的应用，力争使单体电池能量密度在2020年和2025年分别达到400Wh/kg以上及500Wh/kg。事实上，为落实国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，即在2020年，新型锂离子动力电池的单体能量超过300Wh/kg，系统能量超过260Wh/kg的目标，过去国家一直在政策端不遗余力鼓励车企搭载的动力电池向高能量密度、低电耗技术方向发展。近三年来，新能源车补贴标准严格化趋势就是最好的例证。自2017年开始，在纯电动车补贴标准将电池能量密度纳入考量后，2018年及2019年继续对电池能量密度的准入门槛及要求水平提出严苛限制（目前国家补贴金额=标准补贴额*电池能量密度加权值*电池能耗率系数），倒逼车企电池进行技术升级。也正是通过这这种政策上的变相引导，使得我国新能源车用动力电池水平的发展取得了举世瞩目的成就。仅根据工信部新能源车推广目录统计数据看，纯电动乘用车配套的动力系统能量密度从2017年第1批的100.1Wh/kg攀升到2019年第7批的150.7Wh/kg，同比提升51%。但同时，我们也不得不承认，根据目前国内市场中续航里程排名靠前的主要车型来看，电池系统能量密度均不超过185Wh/kg。换句话说，在如今电动乘用车大多采用三元锂电池的体系下，300Wh/kg的电池密度目标已经成为不可逾越的“天花板”，而相比传统动力电池，固态锂电池的能量密度可以提升1-2倍左右，且没有自燃等安全事故隐患。显然，为完成未来动力电池产业发展规划，同时在相关政策的变相鞭策下，各车企肯定会迎风而上，固态电池商用化的趋势也成为必然。●海外车企发展形势：抢跑了，但新一代固态电池应用时间上，却与国内规划目标接近当前，在世界汽车产业全面新能源化趋势不可逆转的背景下，固态电池作为下一代电池的重要选择，在全球范围内受到广泛关注。从大势上讲，真正高水平的固态电池将在2020年前后，以先行落地少量试制产品的方式，将逐步开始商用化，并在2025年左右，真正在全球范围内普及开来。首先，按各个区域的发展形势来看，法国虽然在车载固态电池上的应用最早、普及应用率也高，但是由于其技术水平低，实际参考意义不大。而针对目前受追捧的高水平固态电池，根据公开信息显示，日本车企整体技术规划及应用进度整体较快，其中最为领先的当属丰田，已经对外展示了处于试制阶段的固态电池样品，并计划在明年奥运会期间，率先将搭载高水平固态电池技术的电动车进行小批量的投放使用。其次，是德国及韩国车企，包括奥迪、宝马、大众及现代在内，均制定规划，预计在2025年前后将量产目前正在研发的固态电池，其中奥迪的规划水平相对靠前，计划在2023年推出应用该技术的高性能车型。而按各企业的技术发展模式来看，主要有两种形式，分别以日本、日欧企业为代表。具体来看，日本车企通过与本国传统企业及机构强强联合，在2018年便协同38家单位成立研发同盟，以抱团取暖的方式，加快技术革新，并计划在2022年掌握固态电池核心技术。而韩国和欧洲车企，则大多通过与美国新兴初创公司进行战略合作，推进固态电池的研发，比如BMW、福特等都与美国电池技术公司SolidPower合作，其中福特更是对该公司进行了投资，以强化双发研发全固态电池的协同效果；无独有偶，现代汽车也在三星、戴森之后，投资于美国初创企业Ionic Materials，进行电动车用固态电池的研发，并计划在2025年量产。此外，为了在未来固态电池普及化后，在电池供应端上不受牵制，以德国大众汽车为代表，均计划拟建自营的固态电池生产工厂，以减小在核心业务板块上对外部电池制造商的依赖。可以看到，众多海外车企，或在本国区域内拉拢强势集团、又或者联合海外新兴技术企业，纷纷加快布局固态电池的研究和开发。虽然目前整体都处在技术普及化应用的“前夜”，但相对而言，技术成熟度已经较高，这无疑在即将到来的固态电池应用浪潮中，掌握了先发优势。●国内车企应用动向：蓄势待发，准备亮牌的“前夜”国内整体形势上看，只有部分中国品牌车企发布了明确应用固态电池的规划，但数量上看，占比相对较小。按品牌类别划分，相比长安、广汽传祺等传统造车势力在固态电池领域相对“低调”的动作，以天际、蔚来及爱驰为代表的中国新兴造车品牌，在固态电池的布局上则上更为积极。而根据这两大势力的技术应用规划，可将固态电池在国内应用划分为三个时期，即目前到2021年，为固态电池市场孕育期，各方均未投放产品，只进行相关产品的规划和研发，市场仍是三元系电池的天下；在2021~2025年，进入固态电池应用初期，电池能量密度达到300-500Wh/kg，届时搭载固态电池的车型将成为电动车市场中的“高端品”；在2025~2030年左右，甚至在未来更长时间里，才能真正迎来市场的成熟期，到时固态电池能量密度才能突破500Wh/kg的天花板，真正在市场中普及开来。具体车企来看，在固态电池应用前期，新兴造车品牌是主力，通过“背靠大树”，以与国内实力较强的固态电池供应商合作方式，抢占了市场先机。其中，以规划进程最快是天际汽车，在2019年初，便发布了国内首款应用固态电池的试装车ME7,搭载的辉能电池能量密度达到300Wh/kg，电池包能量密度达到220Wh/kg,并计划在2021年进行批量生产及上市。而同年，蔚来和爱驰也紧随其后，宣布与辉能合作，开始着手应用车载固态电池技术。而到了固态电池应用中后期，长城、比亚迪等传统造车企业才逐渐走向前台，通过依托母公司的关联企业，推进固态电池技术的开发和应用。以长城汽车为例，通过母公司下属的蜂巢能源，预计开发的固态电池单体能量密度达350~500Wh/kg，并计划在2025年左右上市；而北汽集团通过对清陶能源的注资，估计在2025年前上市的新车，将搭载合作公司单体能量密度为400Wh/kg的固态电池。而随着国内如宁德时代、赣锋锂业等电池供应商对固态电池的持续投入和布局，相信国内更多的车企会加入到固态电池应用浪潮中，他们肯定不会错过这个领域。●固态电池应用后，为下一代电动车开启“新世界”根据汽车之家已上市及近期即将上市车型数据整理，目前整体电动车市场中，轿车与SUV的车型数量比例六四开，即轿车的数量更高；同时，按车型级别来看，统计车型中，微小型车占57%，紧凑型车占32%，换句话说，中型及以上的高级车只占比近一成，这与燃油车的各级销售占比大为不同。追根溯源，主要原因是当前的三元电池技术，受到电池能量密度的制约，并太不适合打造中大型车。同时，小型车在本身尺寸不大的前提下，由于没有足够大的空间安装电池，很难跳出“小尺寸车，乘坐空间小，续航低”的魔咒，使用体验极为不理想。反观固态电池，其自身拥有高能量密度（轻量化）、小体积的优势特点，代表着应用该技术的新一代车型将拥有更长的续航、更低的车型能耗、更好的空间体验，并且还支持快速充电，同时更加安全，这一切都将在很大程度上缓解消费者对电动车最担心的里程焦虑问题，打消其对购买电动车的顾虑。同时，对车企来讲，由于摆脱了目前电池低能量密度带来的电池包质量高、占空间大的短板，也肯定会使得更多企业投入中大型级别的高级电动车，其产品可行性更具使用价值。而小型车及紧凑级车型，在突破了电池包重量、空间上的界限后，也有望能在新的车型架构之下，商品性得到大幅提升，并落地一些创新性的设计和使用方案。比如概念车天际ME-S、蔚来EVE等，虽目前无法量产，但其内部的空间布局理念已经极大超越了当下在售车辆的设计限制，譬如环绕式的座椅布局、可旋转的前排座椅、可多方向移动的灵活座椅、可实现仰躺的后排座椅等都值得借鉴，这些提供类似家居化、客厅级空间体验的设计，均可以在固态电池时代到来时落地，真正让消费者“将汽车变为移动的生活空间”的愿景变为现实。●总结概括来看，预计到2021年左右，固态电池在中国才会真正落地应用，当下这个趋势已经十分明晰。而在固态电池普及应用之前，车企若能把握这个机会，无疑能在消费者心中率先建立良好的产品技术认知，并与现有传统电动车型形成差异化形象，在宣传上先声夺人，最终达到抢占更多市场份额的战略目的。同时，在汽车行业中，新技术的应用一般都是从高级车，逐步普及到中低级车中，从高端品牌，逐步普及到中低端品牌。但就目前来看，国内市场中的豪华、合资品牌对固态电池技术的布局相对滞后，这无疑给众多谋求提升品牌的中国车企敞开了一扇窗。是选择保守的稳健型路线，等到2025年技术成熟后再投入应用，还是选择急流勇进，加快技术落地？相信广大消费者更希望车企选择后者。（文/汽车之家行业评论员 车庸）
来源：汽车之家
