汽車快速電動化,使得動力電池成為大國競爭新戰(zhàn)場。中國、美國、德國、日本四個全球科技創(chuàng)新大國,都在動力電池上發(fā)力,希望奪取下一代出行工具利潤最豐厚的市場。

中國:300wh/kg的2020目標(biāo)接近實現(xiàn)

歐陽明高在演講中開宗明義,電動汽車的競爭,主要取決于電池。而競爭主要圍繞電池成本和效率(cost-efficient)展開。

中國2020動力電池研究目標(biāo),也由電動汽車的目標(biāo)倒推而來。到2020年,A0級電動汽車能耗要達(dá)到10kwh/百公里;A0級電動汽車總成本,可以和燃油汽車競爭。

在電池方面,無疑需要提升電池的性能,主要在于能量密度、電池壽命、成本控制、梯次利用和回收。同時,電池的安全管理能力也需要提升。

歐陽明高介紹了在高比能量、低成本電池(300wh/kg,100$/kwh)研究上,目前中國的進(jìn)展。

中國動力電池路線圖

這就是他此前透露的、科技部新能源車重大專項動力電池專項研究。CATL、力神和國軒,采用高鎳正極和硅碳負(fù)極。歐陽明高評價,一些性能已經(jīng)接近應(yīng)用要求,但安全性能還沒有完全達(dá)到國標(biāo)要求。

他舉CATL的研究數(shù)據(jù)表明,能量密度達(dá)到304瓦時/公斤,循環(huán)壽命在25℃時可達(dá)1200次,在45℃時可達(dá)800次。

至于2020年之后,歐陽明高透露,中國動力電池2025年能量密度目標(biāo)400wh/kg,材料體系應(yīng)該是富鋰錳基正極+高比能硅碳負(fù)極;2030年,能量密度目標(biāo)是500wh/kg,材料體系方面,正負(fù)極仍是富鋰錳基正極+高比能硅碳負(fù)極,但是電解液將演變?yōu)楣虘B(tài)電解液。

美國:降鈷或去鈷著力降低成本

DavidHowell介紹,美國能源部的研究著重于電池材料革新、電芯電化學(xué)優(yōu)化、增強可持續(xù)性和降低成本。

具體的戰(zhàn)略目標(biāo)是:到2022年9月,電池包的成本要降到150$/kwh(2018年是197$/kwh)。方法是:有效降低或者解脫電池對重要材料的依賴,比如說鈷,以及回收利用動力電池材料。同時,他們也希望能夠研發(fā)出15分鐘充滿的安全電池。

在這樣成本提升的過程當(dāng)中,技術(shù)路線和各國差不都,從目前的石墨/高壓鎳鈷錳,到硅/高壓鎳鈷錳,最后過渡到鋰金屬電池或者鋰硫電池——大約在2030年,電池包成本降到80$/kwh。

降成本的最重要手段就是低鈷或者無鈷。低鈷主要的技術(shù)路線是高鎳811,尋求用錳、鎳、鈦來替代鈷。去鈷則是鎳錳、鐵錳、鋁鎳作為正極等方向。

看起來美國的動力電池研究更追求降低成本,對性能提升不那么重視?

也不是。

DavidHowell還介紹了Battery500計劃。2016年7月,當(dāng)時的奧巴馬政府宣布發(fā)起了Battery500計劃,用五年、投資額5,000萬美元,打造能量密度500wh/kg,循環(huán)壽命1000次的電芯。

這一電池的技術(shù)路線是高比能鋰離子正極(鎳鈷錳)和鋰金屬負(fù)極。2017年這一項目已經(jīng)實現(xiàn)了309wh/kg,但循環(huán)次數(shù)只有275次;2018年,已經(jīng)實現(xiàn)350wh/kg,循環(huán)次數(shù)150次。

Battery500計劃進(jìn)展

Battery500計劃聯(lián)合國家實驗室、大學(xué)和產(chǎn)業(yè)界共同攻關(guān)。當(dāng)時,IBM、特斯拉都參與其中。

德國:動力電池要MadeinGerman

HerbertZeisel介紹,德國對于動力電池研發(fā)也非常看重。該國把動力電池研究看做確保技術(shù)主權(quán)、加強創(chuàng)新能力的重要因素。

德國還發(fā)起了電池研發(fā)的資助計劃。在行動計劃中,計劃要簡化研究成果向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化,以及實現(xiàn)電池“德國制造”(MadeinGerman)。具體執(zhí)行方面,這一計劃將價值鏈上下游的參與者都串聯(lián)起來,從上游的材料、到正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)、電池制造商、電池包制造和主機廠。HerbertZeisel認(rèn)為,德國在電池整個價值鏈的諸多部分都都處在一個好位置。

德國研究目標(biāo)

在電芯方面德國的目標(biāo)是,2020年能量密度350wh/kg,循環(huán)次數(shù)1000次,成本90歐元/kwh,而2030年實現(xiàn)能量密度400wh/kg,循環(huán)次數(shù)2000次,成本75歐元/kwh。

為了達(dá)成目標(biāo),電池研發(fā)的資助計劃將繼續(xù)支持鋰離子技術(shù)、全固態(tài)電池和新概念電池。

日本:著重電池包能量密度

Hidetakaishikoori所在的NEDO,是日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(類似中國工信部)下屬的研究開發(fā)機構(gòu),成立于1980年,是為了開發(fā)能夠替代石油的新能源技術(shù)而設(shè)立的,研究內(nèi)容也包括動力電池、氫燃料電池和氫能等方面。NEDO扮演的角色,是為政府的監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)等提供服務(wù),同時推動產(chǎn)業(yè)化。

根據(jù)NEDO的技術(shù)路線圖,在2025年之前,日本動力電池將是現(xiàn)在鋰電池體系,此后電解質(zhì)將進(jìn)入全固態(tài)電池階段,同時鋰硫電池也會成為主流,而到2035年左右,會有其他電池出現(xiàn),比如鋰空氣電池。

日本電池研究目標(biāo)

在具體的動力電池研究目標(biāo)上,日本提出,在2020年實現(xiàn)250wh/kg能量密度的電池包(注意不是電芯),成本降到20000日元/kwh以下,循環(huán)次數(shù)1000-1500次。到2030年,電池包密度達(dá)到500wh/kg,成本降到10000日元/kwh以下,循環(huán)次數(shù)1000-1500次。

目前的水平,Hidetakaishikoori舉了日產(chǎn)聆風(fēng)為例,電池包能量密度還在133wh/kg。

部分觀點認(rèn)為,日本不走純電動路線,直奔?xì)淙剂想姵囟ァ５獺idetakaishikoori發(fā)布的日本乘用車市場計劃則顯示,2020年日本希望插電式混合動力和純電動能占據(jù)15-20%的市場,氫燃料電池車只有1%;2030年,插電式混合動力和純電動能占據(jù)20-30%市場,氫燃料電池為3%。

日本乘用車市場目標(biāo)

總結(jié):

中國科學(xué)院院士孫世剛在回答我的問題時表示,從四個國家的代表演講看,動力電池研究大的趨勢是一致的,大家都注意能量密度提升、安全性更強、成本更低。技術(shù)路線也接近。各國有些細(xì)微差別,比如美國的目標(biāo)是很現(xiàn)實的,比如價格有很明確的路線。

確實,歸納四個國家的動力電池研究目標(biāo)可見,各國的研究大同小異,而研究進(jìn)展也沒有那個國家特別突出的。在現(xiàn)有動力電池應(yīng)用方面,中國的動力電池密度已經(jīng)比較高,甚至略微激進(jìn),成本方面,應(yīng)該是各國最低的,這也是中國大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的優(yōu)勢。

從未來的研究方向看,動力電池的材料體系還會有多輪革新,甚至可能還會有目前不知道的新電池產(chǎn)生。那么,哪個國家可能從動力電池競爭當(dāng)中脫穎而出?

在ABAA會議間隙,我曾問各方這個問題。

KhalilAmine沒有直接回應(yīng),他說,中國目前在電動汽車的推廣上領(lǐng)先全球,中國動力電池也較以往進(jìn)步很快,但是美國、德國等國也在高級動力電池上投入很大。言下之意,目前還難下判斷。

DavidHowell的回答是,可能沒有哪個國家會特別突出,因為各國的交流非常密切,在一個地方發(fā)明的新動力電池技術(shù)很快會被別的國家學(xué)去。具有全球視野、全球合作的企業(yè)更有機會。

孫世剛評價,中國在動力電池產(chǎn)能方面是領(lǐng)先的,技術(shù)水平方面,中國在某些方面有領(lǐng)先,但整體水平,還稱不上領(lǐng)先的地步。“我們還得大規(guī)模投入研發(fā)。特別現(xiàn)在的動力電池研發(fā)主要還在高校、研究所,如果轉(zhuǎn)換到企業(yè)研發(fā)動力比較強的時候,我們就會往前跨得快一點。”