动力电池技术路线图介绍

车用动力电池技术路线图介绍动力电池技术路线图编制组（肖成伟研究员）2016年12月07日厦门内容1.研究背景2.发展现状及需求分析3.技术路线图4.技术创新需求一、研究背景—新能源汽车国际现状目前在国际上，混合动力汽车已实现商业化，插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车处于应用示范阶段。传统汽车呈下行趋势国际能源署预测数据新能源汽车发展迅速预计2020年以后：插电式混合动力汽车、纯电动汽车将快速增长，步入应用普及的发展阶段，2030年后燃料电池汽车市场将大幅度提升。一、研究背景—新能源汽车国内现状我国节能与新能源汽车已形成了较为完善的研发体系和产业体系，研制了系列产品，新能源汽车推广应用示范数量居世界前列。面向未来，我国节能与新能源汽车将继续保持与国际先进水平接轨，以大规模商业化普及应用为目标，加快提升技术水平，加速产业发展，预计2020年我国新能源汽车市场保有量将达到500万辆，生产产能将达到200万辆，2025年将生产产能将达到300万辆。国际能源署对世界各国新能源汽车销量预测101001001000100010000能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg)目前混合动力轿车规模使用-丰田系锂离子镍氢酸铅启停功能轿车-国内外低速车规模使用-中国广泛应用于HEV、PHEV、EV及FCV一、研究背景—动力电池的作用动力电池作为能量储存装置，是电动汽车的核心部件。其性能的优劣直接影响电动汽车的市场应用和普通消费者的接受度，如安全性、能量密度、功率密度、寿命以及成本等。一、研究背景—国家规划（德美韩日）韩国日本美国德国一、研究背景—国家规划（我国）2020年：电池模块的质量密度达到300瓦时/公斤以上；成本降至1.5元/瓦时以下。产业化的锂离子电池能量密度达到300Wh/kg以上，成本降至0.8元/Wh以下；新型锂离子电池能量密度达到400Wh/kg以上，新体系电池能量密度达到500Wh/kg以上。2020年：电池能量密度达到300Wh/kg；2025年：电池能量密度达到400Wh/kg；2030年：电池能量密度达到500Wh/kg。《节能与新能源汽车国家规划（2012—2020）》《中国制造2025》“十三五”计划--新能源汽车重点研发专项（2016—2020）一、研究背景—企业规划（韩国）LG化学三星SDISK公司AESC配套车辆聆风二代聆风SOP时间20102018正极材料LMO-NCANCM523负极材料石墨石墨容量（Ah）32.556电压（V）3.753.7体积能量密度（Wh/L）274.0380.2质量能量密度（Wh/kg）154.9222.9索尼一、研究背景—企业规划（日本）日立车载能源公司（HVE)一、研究背景—企业规划（中国）CATL力神内容1.研究背景2.发展现状及需求分析3.技术路线图4.技术创新需求目前世界范围内动力电池的研发和产业化主要集中在三个区域，分别位于德国、美国和中日韩所在的东亚地区。锂离子动力电池的生产目前也主要集中在中日韩三个国家。二、发展现状及需求分析—研发和产业化分布20%20%24%13%20%3%世界范围内动力电池的研发和产业化分布德国美国日本韩国中国其他从技术与产业的角度综合来看：日本在技术方面依旧领先；韩国在市场份额方面超越日本，占据第一位；中国的电池企业数量最多，产能最大。二、发展现状及需求分析—变化趋势我国动力电池技术路线的变化趋势（2001-2015）总产能：居世界首位（超过400亿瓦时的年产能）；形成了珠江三角洲、长江三角洲、中原地区和京津区域为主的四大动力电池产业化聚集区域；超过100家动力电池企业开展动力电池及电池系统的研发及产业化工作；超过1000亿产业资金的投入，技术研发及产业化进展显著。二、发展现状及需求分析—技术现状国外产品国内产品三元材料/石墨材料锂离子电池（量产）关键材料：实现了国产化；单体电池技术水平：与国外同一水平；已形成了较为完善的锂离子动力电池产业链体系，掌握了动力电池的配方设计、结构设计和制造工艺技术，生产线逐步从半自动中试向全自动大规模制造过渡；产品均匀一致性、系统集成技术、生产自动化程度：尚有差距。二、发展现状及需求分析—新能源汽车发展趋势普及应用节能与新能源汽车的关键是要实现其经济性与使用的便利性与传统燃油汽车相当。当前，混合动力汽车具备经济性和使用便利性，我国商用大客车已基本实现商业化。插电式混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车与传统燃油汽车存在较大差距，提升经济性和使用便利性是未来相当长一段时间内新能源汽车发展的主要方向。国际上，预计2020年前后新能源汽车经济性和使用便利性将大幅度提升，纯电动汽车续航里程将达到400公里，2030年达到500公里。福特汽车：新车的续航里程将达到320公里，年内（11月）推出。雷诺日产：将在2020年之前将纯电动汽车(EV)的续航距离提高到400公里以上，2015年1月2015年3月2015年6月2015年9月2014年7月奥迪：发布全新Q6e-tronquattro概念车，续航里程500km，2020年上市。通用汽车：雪佛兰Bolt，行驶里程200英里（约322公里），3~3.5万美元，2017年上市。大众汽车：研发一款超级电池，纯电动续航里程有望达到300公里，2020年提升至500km。Tesla汽车：Model3，续航里程320公里，3.5万美元，2016年3月发布，2017年实现量产。2015年5月2015年9月二、发展现状及需求分析—动力电池是关键提升新能源汽车的经济性，需降低成本新能源汽车因全部或部分采用电力驱动，与传统燃油汽车相比较，能够减少燃料消耗，目前新能源汽车在全生命周期内燃料消耗节省的费用尚不能抵消所增加的成本。动力电池是关键对于插电式混合动力汽车，电池系统成本需要降低至1.5元/Wh。若纯电动汽车续航里程达到400公里，动力电池系统比能量需要提升至250Wh/kg左右。增加纯电驱动行驶的续航里程为增加续航里程，必须增加搭载动力电池系统存储的能量。在不显著增加新能汽车重量和体积的前提下，必须提高动力电池的比能量和能量密度。二、发展现状及需求分析—动力电池的发展与需求高性能、低成本的新型锂离子电池和新体系电池是新能源汽车动力电池发展的主要方向。未来相当长一段时期内，我国节能与新能源汽车将以普及应用插电式混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车为主要任务，迫切期待动力电池降低成本、提高性能。研发新型锂离子电池和新体系电池、提升动力电池智能制造水平、完善验证测试方法和标准体系，既是我国节能与新能源汽车的发展需求，也是我国动力电池发展的关键任务，具有紧迫性。新型锂离子电池：采用高电压/高容量正极材料、高容量负极材料和高压电解液替代现有锂离子电池材料，电池成本、比能量和能量密度具有明显的优势，将能够大幅度提升新能源汽车经济性和使用的便利性，需要解决耐久性、环境适应性和安全性等关键问题。新体系电池：包括锂硫电池、锂空气电池、全固态电池等，预计具有更低成本和更高的比能量，尚处于基础研究的发展阶段。预计2020年新型锂离子电池将实现商业化，2030年新体系电池实用化。二、发展现状及需求分析—动力电池的发展目标2025年2030年2020年技术提升阶段。新型锂离子电池实现产业化。能量型锂离子电池单体比能量达到350Wh/kg，能量功率兼顾型动力电池单体比能量达到200Wh/kg。动力电池实现智能化制造，产品性能、质量大幅度提升，成本显著降低，纯电动汽车的经济性与传统汽油车基本相当，插电式混合动力汽车步入普及应用阶段。产业发展阶段。新体系电池技术取得显著进展。动力电池产业发展与国际先进水平接轨，形成2-3家具有较强国际竞争力的大型动力电池公司，国际市场占有率达到30%。固态电池、锂硫电池、金属空气电池等新体系电池技术不断取得突破，比能量达到400Wh/kg以上。产业成熟阶段。新体系电池实现实用化，电池单体比能量达到500Wh/kg以上，成本进一步下降；动力电池技术及产业发展处于国际领先水平。我国动力电池发展大致分为三个阶段，目标如下：内容1.研究背景2.发展现状及需求分析3.技术路线图4.技术创新需求车用动力电池技术路线图—EV电池2020202520302025年达到：比能量：单体400Wh/kg，系统300Wh/kg；能量密度：单体800Wh/L，系统500Wh/L；比功率：单体1000W/kg，系统700W/kg；寿命：单体4500次/12年，系统3500次/12年；成本：单体0.5元/Wh，系统0.9元/Wh2030年达到：比能量：单体500Wh/kg，系统350Wh/kg；能量密度：单体1000Wh/L，系统700Wh/L；比功率：单体1000W/kg，系统700W/kg寿命：单体5000次/15年，系统4000次/15年；成本：单体0.4元/Wh，系统0.8元/Wh2020年达到：比能量：单体350Wh/kg，系统250Wh/kg；能量密度：单体650Wh/L，系统320Wh/L；比功率：单体1000W/kg，系统700W/kg；寿命：单体4000次/10年，系统3000次/10年；成本：单体0.6元/Wh，系统1.0元/Wh基于现有高容量材料体系、优化电极结构、提高活性物质负载量应用新型材料体系、提高电池工作电压优化新型材料体系、使用新型电池结构优化设计、提升制造水平新材料应用、新制造工艺和装备新型材料体系、新型制造工艺路线比能量的提升：寿命的提升：安全性的提升：成本的控制：能量型锂离子电池新体系电池引入固态电解质、优化固液界面开发长寿命正、负极材料、提升电解液纯度并开发添加剂、优化电极设计、优化生产工艺与环境控制采用电极界面沉积、开发新体系锂盐、优化生产工艺与环境控制固、液电解质结合技术、新型材料体系新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计备注：电池寿命为全寿命周期要求。车用动力电池技术路线图—PHEV电池2020202520302025年达到：比能量：单体250Wh/kg，系统150Wh/kg；能量密度：单体500Wh/L，系统300Wh/L；比功率：单体1500W/kg，系统1000W/kg；寿命：系统4000次/12年；成本：单体0.9元/Wh，系统1.3元/Wh2030年达到：比能量：单体300Wh/kg，系统180Wh/kg；能量密度：单体600Wh/L，系统350Wh/L；比功率：单体1500W/kg，系统1000W/kg；寿命：系统5000次/15年；成本：单体0.8元/Wh，系统1.1元/Wh2020年达到：比能量：单体200Wh/kg，系统120Wh/kg；能量密度：单体400Wh/L，系统240Wh/L；比功率：单体1500W/kg，系统900W/kg；寿命：系统3000次/10年；成本：单体1.0元/Wh，系统1.5元/Wh基于现有高容量材料体系提升材料的功率性能、优化电极设计基于现有高容量材料体系提升材料的功率性能、优化电极设计优化新型材料体系、使用新型电池结构开发长寿命正、负极材料、提升电解液纯度并开发添加剂、优化电极设计、优化生产工艺与环境控制开发长寿命正、负极材料、提升电解液纯度并开发添加剂、优化电极设计、优化生产工引入固态电解质、优化固液界面新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计固、液电解质结合技术、新型材料体系优化设计、提升制造水平优化设计、提升制造水平新型材料体系、新型制造工艺路线比能量和比功率的提升：寿命的提升：安全性的提升：成本的控制：备注：电池寿命为全寿命周期要求。三、技术路线图—关键材料（正极）重点发展材料实现目标差距分析实现路径高镍材料预计2020年比容量将突破215mAh/g，2025年将突破225mAh/g。国内仅少数厂家初步具备高镍材料生产能力，但产品性能和稳定性仍需进一步提高，关键设备的技术水平和可靠性与国外差距较大。研究包覆元素种类、包覆量对材料表