電動汽車的發(fā)展路線與下一代動力電池

導讀

中國工程院院士楊裕生在CBIS2018“鋰想”峰會上發(fā)表主題演講。

今天講“電動汽車的發(fā)展路線與下一代動力電池”。為什么要把電動汽車的發(fā)展路線和下一代動力電池連在一起來講？因為我一直認為，什么樣的電動汽車的路線就應(yīng)該發(fā)展什么樣的動力電池，這是兩個相關(guān)的問題。

講三個問題：

（1）發(fā)展路線與電池

（2）純電動汽車的路線的下一代電池

（3）增程式路線的下一代電池

先講幾個觀點：

第一，電動汽車和動力電池相互依存、相互促進，這個大家都可以理解，但是相互制約提的不多。

第二，按電池水平來做電動汽車。舉個例子，鎳氫電池做PRIUS的混動，這是日本的豐田到去年的8月份已經(jīng)銷售1千萬輛的車子，今年又有大的增長，這個電池用的很好，比能量只有50多瓦時/公斤。所以不是說一定要追求高比能量才能做出好的車子。

第三，電池真正的進步才能推動電動汽車水平的提高，冒進就要吃苦。就是說電池如果不成熟，實際上是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)的電池，如果把它大量的用在汽車上，就要出問題。

第四，電動汽車的主要矛盾是安全和里程的對立。這是我提出來的一個觀點。

第五，安全性是矛盾的主要方面，里程是次要方面，不可顛倒。我們學過***的矛盾論，都要講認可事物都要分析它的主要矛盾，矛盾當中主要方面跟次要方面也要分清楚，如果不分清楚，把主要矛盾、次要矛盾搞錯了，最后我們就要走彎路。

主要矛盾反映在電池上，是危險性與比能量的矛盾，電池的危險性制約“電動汽車里程隨心所欲提高”，我這里講的隨心所欲提高是我們現(xiàn)在每年都在提高要求。瞄準了250公里、300公里、400公里，現(xiàn)在還想沖擊500公里，這就是隨心所欲。

01

電動汽車發(fā)展路線和電池

國家科技部的“三縱”路線最初提出是“純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車”，后來混合動力汽車就改成了插電式電動汽車，后來插電式電動汽車又改成增程式電動汽車，這個變化前后大概10年的時間，增程式是今年1月份的電動汽車百人會上萬鋼副主席正式宣布的，新的“三縱”是增程式代替了“插電式”。

為什么會有這樣的變化？說的不好聽就“心中無數(shù)，重點不清，路線搖擺”。不同的電動汽車的發(fā)展路線需要不同的電池，對下一代動力電池技術(shù)的要求也不同，所以從這樣一個觀點出發(fā)來談我今天的一些認識。

路線當中的燃料電池今天不談了，因為燃料電池現(xiàn)在的功率跟不上車的變化，已經(jīng)變成一種增程器，它可以提高能量，但是它不是直接去推動電動汽車，而且現(xiàn)在是靠補貼在那里發(fā)展，遠遠沒有進入市場化的階段。

10年來我的主張是，我提了一個原則，要有安全成熟的電池發(fā)展節(jié)能減排的電動汽車，技術(shù)路線兩條，一個是微小型純電動車作為突破口，第二句話是，大眾型車發(fā)展純電驅(qū)動的增程式。微小型電動車可以用鉛酸電池做低速車，也可以用鋰離子電池做高速車，這個由市場決定。增程式電動車解決了純電動車的五大焦慮。它是市場化最為可行的一個車種。

現(xiàn)在我的主張逐漸被接受了，很不容易，十年了。科技部剛才說1月份把它列入新“三縱”，國家發(fā)改委7月，在《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定（征求意見稿）》當中，把增程式列入到純電動汽車內(nèi)。現(xiàn)在企業(yè)也在紛紛做小型車或者發(fā)展增程式技術(shù)增程器

02

純電動汽車路線下的下一代電池

長里程的純電動汽車有五大焦慮：

1，里程焦慮，需要多帶電池，仍然怕斷電，電池多了車子就重，加上夏天空調(diào)嚴重縮短里程。

2，安全焦慮，電池多要求比能量又要高，危險性大，燃燒爆炸的事故多。

3，充電焦慮。充電樁要密，既費錢，要地，很難符合要求。

4，價格焦慮，電池用量大了，價格就高，競爭力就低。5，電池焦慮，因為電池的壽命短于整車，第一套電池有補貼，第二、第三套電池就要自己花錢。

補貼停了之后，里程越長，原來補貼越高的車就越難賣出去。像比亞迪E6 700公斤的電池，下降到30幾萬，補貼停止之后賣這個車就就很困難。目前耗電少、里程有限的微小型車，或者像A0級甚至于A00級的車。

要追求長里程就要用比能量高的電池，這樣就要犧牲安全性。按這些觀點來看，我們純電動車的電池下一代應(yīng)該怎么做，現(xiàn)在三元電池一再提高比能量，這樣的做法對不對？

電池組像汽油箱那樣，是一種含高能物質(zhì)的部件。鋰離子電池中的電解液是用易燃的溶劑配置而成。正極氧化劑和負極還原劑只隔一層微米極厚的隔膜，內(nèi)短路就很容易發(fā)生，內(nèi)短路就要發(fā)生熱量，充放電的時候電池熱阻也發(fā)生熱量，當溫度達到一定的時候，正極產(chǎn)品氧化劑就容易與電解液發(fā)生化學反應(yīng)。今天我們理事長也講到，現(xiàn)在有一類電池，當溫度升高到50度以后，電池放在那里自己就會溫度不斷升高。所以三元材料應(yīng)該重視，三元材料在一定溫度之下會分解放出氧，這個氧不一定是氣體，可能是一種很活潑的初生態(tài)的氧。北大的教授也做了實驗證明有負一價的氧產(chǎn)生。大量的化學反應(yīng)就造成熱失控，電池就會燃燒甚至爆炸。

正極的氧化劑不同發(fā)生熱失控的溫度不同。這張圖是美國三家實驗室做的，可以看到，鎳鈷鋁正極大概在200多的時候發(fā)生溫度的急劇上升，而333三元大概到230度，錳酸鋰正極電池要到250度，磷酸鐵鋰電池溫度升高速度開始比較大，到了一定的時候升溫速度就會降下來。正極材料熱失控溫度越低，電池材料的安全性越差。

特斯拉用三元電池去年年底已經(jīng)燒了十幾輛車，他可以叫“燒車的冠軍”，今年特斯拉又燒了4輛車，就在5月份燒了2輛車，燒死了3個人、燒傷了1個人，在美國2個人燒死了，在瑞士一個德國人燒死了。三元鋰離子電池火勢蔓延太猛，來不及逃生，外面的人來不及救人。三元里例子電池針刺實驗過不了關(guān)，針刺實驗是我們原來國家標準里面的必要實驗，現(xiàn)在把這個實驗已經(jīng)放在一邊了，而且允許乘用車上敞開使用。我們國家今年已經(jīng)燒了38輛車，90%以上是乘用車，主要是用的三元。這個數(shù)統(tǒng)計的是不準確的，因為這是深圳一家公司給我提供的?，F(xiàn)在已經(jīng)形成了以提高比能量為首要指標的“慣性思維”。所以鎳鈷錳比例從333、523、622到811，危險性不斷的在增加。現(xiàn)在采取許多措施來提高安全性，成組之后它的比能量并不是很高，比如三元現(xiàn)在成組能夠到160瓦時的多一點，而磷酸鐵鋰現(xiàn)在有的公司已經(jīng)做到150瓦時/公斤，單體做到180瓦時。

不是說一定要去追求做三元，大概兩個多月以前我發(fā)表了一篇文章，要大力發(fā)展磷酸鐵鋰電池，網(wǎng)上轉(zhuǎn)載了，很多人支持，但是也有人反對，我覺得這個都很正常，從不同的角度來探討應(yīng)該怎么發(fā)展電池的問題。今天我這個觀點也希望大家還可以再討論。

第二個是，全固態(tài)鋰離子電池。這是針對鋰離子電池燃燒、爆炸頻發(fā)產(chǎn)生的下一代電池。固態(tài)電解質(zhì)除了自身的電導率之外，最要害的是其與活性物質(zhì)之間的界面電阻隨充放電而增加，這是由于活性物質(zhì)在充放電時必然的體積漲縮而脫離電解質(zhì)，也是正極材料掉不可避免的，包括負極材料也有這個問題。界面的穩(wěn)定性是全固態(tài)電池的一個最根本的問題，除非將來能夠做到像橡皮那樣的全固態(tài)電解質(zhì)，它是可以有很大的彈性，隨著活性物質(zhì)的變化而來變化。

現(xiàn)在研究者降低了調(diào)門，不叫全固態(tài)了，改成“固態(tài)電池”，實際上是半固態(tài)或準固態(tài)，還是要加點電解液，比功率、壽命、成本都還有問題，效果如何，拭目以待。

后鋰離子電池，這是日本人提出來的名稱，叫鋰硫電池，又稱下一代動力電池。它的理論比能量高，但是從比能量看也是有片面性的，它有安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉(zhuǎn)換率低、循環(huán)次數(shù)低，這“五低”問題真正解決之后才能用到車上，還要做很大努力。

下一代是鋰空氣電池，比能量達到700瓦時/公斤，這樣汽車里程就可以趕上燃油車了，這個事情很微妙，但是問題更多，很可能是遠水解不了遠渴。也有五個問題，問題比鋰硫問題更大，要成為動力電池更加渺茫。

03

增程式路線下的下一代電池

第一代增程式是純電動汽車上面裝了一個增程器，就是車上發(fā)電在給電池充電。第二代是把電力系統(tǒng)和電池進行了優(yōu)化，所以電動機的功率和電池都減半了，車子減輕了。它的優(yōu)點很突出，電池組不會過充和過放，壽命延長、安全性高，電池少，補貼退坡取消的影響小，易市場化。城市工況下必然有車節(jié)油50%以上，用戶可以省錢，他可以不充電，免建充電樁，如果有充電條件，節(jié)油率可以在80%以上。燃油車的生產(chǎn)設(shè)施、加油設(shè)施全部可以繼承，便于發(fā)展?，F(xiàn)在我們提出第三代增程式，叫發(fā)電直驅(qū)增程式，就是發(fā)電機發(fā)的電是不經(jīng)過電池組，直接給電動機，這樣更加節(jié)能，電池更少，電池壽命更長。

磷酸鐵鋰比能量已經(jīng)很高，磷酸鐵鋰電池可以有高倍率放電，壽命可以達到萬次，價格在下降，滿足第二代增程式的要求。第三代增程式的電池用量少，為了接受評測時候發(fā)電機的性能，吸納剎車初始時的回饋電能，要求下一代電池應(yīng)該具有高倍率的充電能力。

我提出發(fā)展電容性鋰離子電池，就是在正極材料里面要加活性碳。我們觀察到這樣的電池倍率性提高，電池壽命延長，低溫性能改善，充放電的電壓小100多毫伏，這個里面沒有加碳的充放電的兩根線的距離比較大，加了碳之后充放電的兩根線的距離就大大縮小。說明了電容在里面起了好的作用。活性炭承擔了大部分電流，使得電池的車輛啟動和剎車時候免于大電流對磷酸鐵鋰材料的沖擊。

高倍率電池的關(guān)鍵在新材料，富鎳材料主要是不長枝晶，高比容量，長壽命，方向是硬碳或硬碳+納米硅，電導率高，中孔率高，密度高，純度高，比表面高，性能比高，相互制約，尋求最佳途徑?？讖揭m用于不同枝晶陰離子的擴散和建立雙電層電容。我們在張家港公司研制成功的最低孔徑5nm—100nm任意可控的碳氣凝膠，可滿足尋求最佳孔徑的標準。

有人說增程式車還是要燒油，不是最終目標，我要提醒注意兩個問題，1，如果我們的汽車油耗降到一半以下，年僅有2億噸，環(huán)境改善了，能源安全提高，我國由汽車大國向汽車強國邁向一大步，全國人民都可以高興。2，純電動車未必是最終目標，裝電池多、重，車子重、好又多，特斯拉在新加坡受到罰款，所以應(yīng)該考慮全過程的節(jié)能減排，不是在電動汽車行駛過程這么一段的節(jié)能減排的問題。

未來的增程式電動車可以不燒油，不增加二氧化碳排放，可以從太陽能來發(fā)電給電動汽車提供能量。同時秸稈、甜高粱這一類有機物產(chǎn)生乙醇，再給乙醇的發(fā)動機發(fā)電提供能量，這樣增程式就全部靠太陽能來發(fā)動。

所以增程式不是向純電動汽車的過渡，而是未來汽車的主力。

最后幾句話：

1，電動汽車必須安全第一，電池的安全性一定要高。

2，鋰離子電池的方向和電動汽車要同步發(fā)展。所以現(xiàn)在的純電動車主要有三元電池，第二代增程式有磷酸鐵鋰，第三代增程式就應(yīng)該發(fā)展電容性磷酸鐵鋰電池。

3，電容型磷酸鐵鋰動力電池以碳氣凝膠和新型硅炭復合材料為關(guān)鍵材料，是下一代動力電池。