鉅大LARGE | 點擊量：1639次 | 2022年04月02日
動力鋰電池要求來了，300Wh/kg比能量目標如何實現
三月一日，四部委印發了《促進汽車動力鋰電池產業發展行動方法》通知，明確指出了當前動力鋰電池存在的不足和今后的發展方向。通知中將提高電池比能量作為今后的重點發展目標之一，關鍵指標和時間節點如下：
1.到2020年，鋰離子動力鋰電池單體比能量〉300Wh/kg；系統比能量爭取達到260Wh/kg；成本《1元/瓦時；使用環境達-30℃到55℃；具備3C充電能力
2.到2025年，單體比能量達500Wh/kg
3.力爭實現單體電池350Wh/kg、系統260Wh/kg的鋰離子電池產品產業化和整車應用
4.新型動力鋰電池方面，積極推進鋰硫電池、金屬空氣電池、固態電池的研究和工程化開發，2020年單體比能量》400Wh/kg、2025年達到500Wh/k
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
從指標的文字描述中可以看到：第1項指標是要求在鋰離子電池體系下實現的，第3項指標應該是在鋰離子電池體系下再往前沖一沖，所以提出了“力爭實現”。至于第2、4項指標，鋰離子電池體系估計無能為力了，必須要開發新的電池體系。
盡管鋰硫電池、金屬空氣電池、固態電池的研究歷史已經很長，但是其技術進步還是比較緩慢。如今各種交叉學科發展已經有了較大進步，這將有助于繼續開發這些電池體系，期待能有突破。
經常看到很多媒體報道把“比能量”和“能量密度”混淆了。通常，使用“比能量”來描述單位質量的能量水平（Wh/kg），用“能量密度”來描述單位體積的能量水平（Wh/L）。
這里我們來重要看一下在鋰離子電池體系下的比能量發展途徑。
·鋰離子電池單體比能量
2016年公布的《節能與新能源汽車技術路線圖》提到了純電動汽車動力鋰電池的比能量目標是2020年350Wh/kg，2025年是400Wh/kg，2030年是500Wh/kg。該目標與四部委提出的指標很接近，也在業內引發了熱議。我們梳理一下2016年媒體報道的各大電池公司的比能量目標和實現路徑：
·比亞迪：三元電池希望在2018年做到240Wh/kg，2020年大概做到300Wh/kg。正極采用高鎳三元材料，負極采用氧化亞硅或納米硅，
·寧德時代：2016年可以做到200-250Wh/kg，“十三五”期間希望實現350Wh/kg目標，材料體系為高鎳三元/硅碳材料
·國軒高科：2020年目標是300-350Wh/kg，采用高鎳三元正極材料，硅基負極材料，5V高電壓電解液
·比克：18650圓柱第四代產品（3.0Ah）普遍可以達到220-230Wh/kg，2017年第五代產品（3.6Ah）的比能量預計可以達到250Wh/kg。比克是較早鎖定三元材料路線的公司。
·力神：正在開發200-250Wh/kg的產品，圓柱電池已經可以達到250Wh/kg，2020年爭取達到300Wh/kg，采用第三代富鋰錳基層狀材料和硅負極材料
·三星SDI：2016年水平為250Wh/kg，預計2030年達到350Wh/kg（可能采用了其他電池體系了）
值得注意的是，寧德時代、天津力神、國軒高科三家電池公司在2016年還入圍了科技部重點專項，該項目的考核指標為：
·動力鋰電池新材料新體系（基礎前沿類）：考核指標：新型鋰離子電池樣品能量密度≥400Wh/kg，新體系電池樣品能量密度≥500Wh/kg
·高比能量鋰離子電池技術（重大共性關鍵技術類）：考核指標：電池單體能量密度≥300Wh/kg，循環壽命≥1500次，成本≤0.8元/Wh，安全性等達到國標要求；年生產量力≥2億瓦時，產品累計銷售≥3000萬瓦時或裝車數量≥1000套。
這些重點專項的考核指標還對循環壽命、安全性能、甚至銷量和產量提出了要求，這對入圍的電池公司也是不小的考驗。
從所有公開的信息可以看到，我國各大電池公司實現300Wh/kg的技術路線可以歸納為：
·正極材料：高鎳三元，或者富鋰錳基
·負極材料：硅基材料
·電解液：高壓電解液
·隔膜：目前還是pp、pE為主，外加陶瓷涂層
下表是2015年歐洲-日本技術研討會上展示的一組數據，描述了在鋰離子電池體系下，實現不同比能量水平可采用的材料體系。可以看到，其實在材料體系的選擇上，各國的情況都比較類似。
下面我們看一下日本電池公司的情況。在日本NEDO（NewEnergyandIndustrialtechnologyDevelopmentOrganizaTIonofJapan）的牽頭下，日本電池公司都積極參與了高能量電池的研究和投入。例如，我們看一組2016年日立Hitachi的數據：
·正極材料：高鎳層狀三元
·正極電極：335g/m^2，3.0g/cm^3
·負極材料：硅合金和石墨的復合材料，容量比1：1
·負極電極：2.1g/cm^3
·電池容量：30Ah，軟包電池
·充電上限電壓：4.2或4.4V
·放電下限電壓：2.0V
·電流：C/20，或C/3
圖1是其測試數據。我們可以看到，充電電壓為4.2V、電流為C/20（Cell-4.2）時，比能量為290Wh/kg；充電電壓為4.4V、電流為C/20（Cell-4.4）時，比能量為335Wh/kg。同時，Hitachi也指出，雖然初始比能量很高，但是在經過100次循環之后，容量衰減極大。估計這種情況也是現在很多電池公司正在頭疼的問題：比能量指標實現了，但其他性能還不行。
圖1Hitachi30Ah電池數據
綜合來看，單純實現300Wh/kg的目標在2020年基本是可行的。問題是：實現了這個目標是否就表示能用在電動汽車上呢？答案肯定是否定的。汽車動力鋰電池是一個系統工程，滿足比能量要求只是條件之一，其他性能（充放電倍率、功率、壽命、安全性等）也是至關重要的。在實現高比能量的目標的基礎上，綜合發展、提高其他各項性能指標，還要投入更多的時間和精力。
參考
Developmentfor300Wh/kg-ClassHighEnergyLi-IonBatteryforEV.ResearchandDevelopmentGroup，Hitachi，Ltd.
Europe-JapanSymposium.ElectricalTechnologiesfortheAviaTIonoftheFuture，26-27March2015
作者：129Lab
