動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化
1 概述
新型電池作為驅(qū)動型動力源在大眾化市場可接受的重量范圍內(nèi),具有超過200 km 里的續(xù)航能力,這為動力電池成為汽車替代性能源提供重要途徑。在化石能源日益緊缺以及環(huán)保問題日益突出的情況下,大力發(fā)展動力電池是國家戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)之一,需要國家從技術(shù)及資金上繼續(xù)進行重點投入與支持。
2 電池動力驅(qū)動與汽油發(fā)動機驅(qū)動的區(qū)別
電池作為動力驅(qū)動源并非很新的話題,早在2004 年,M. Winter 和R. J. Brodd 博士曾就幾種電池、液態(tài)氫和液態(tài)天然氣的體積比能量和汽油進行了對比(見圖1),事實上,鋰電池的質(zhì)量比能量約為汽油的1/20,體積比能量約為汽油的約1/6?;谵D(zhuǎn)化效率的影響,作者還就幾種電池動力驅(qū)動與汽油發(fā)動機驅(qū)動續(xù)航能力對比(見圖2),一組350 kg 的電池組的續(xù)航歷程為260 km,而50 L 汽油的續(xù)航歷程為720 km。顯然,從能量的角度講,動力電池與傳統(tǒng)動力的汽油相比有相當(dāng)?shù)牟罹?。由此引申出來的兩個問題值得重點關(guān)注,一是從比能量上看,傳統(tǒng)能源與電池相比具有絕對優(yōu)勢,其戰(zhàn)略意義應(yīng)予以足夠關(guān)注。二是鑒于廣泛關(guān)注的能源危機和環(huán)境問題,從續(xù)航能量看,離子電池具備良好的適用性,若安全問題得到解決,該技術(shù)不失為一種良好的替代性技術(shù)。
圖1 幾種電池、液態(tài)氫和液態(tài)天然氣和汽油體積比能量對比
圖2 三種電池動力驅(qū)動與汽油發(fā)動機驅(qū)動續(xù)航能力對比
3 國內(nèi)外動力電池發(fā)展現(xiàn)狀
從完整的產(chǎn)業(yè)鏈角度講,動力電池產(chǎn)業(yè)鏈包括電極及其活性材料、電解液、隔膜、生產(chǎn)設(shè)備及試驗檢測儀器。在正極材料領(lǐng)域,主要公司有Valence、PhoSTech、A123 和日本的三井。目前,這些供應(yīng)商為了追求更高的附加值只是在做OEM,而不愿意向國內(nèi)市場供應(yīng)磷酸鐵鋰材料。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)有湖南瑞翔新材料、湖南杉杉新材料、北京當(dāng)升科技、北大先行等。我國的鈷酸鋰、錳酸鋰工藝相對成熟,但最為看好的動力鋰離子電池磷酸鐵鋰正極材料處于產(chǎn)業(yè)化初級階段。
在鋰電池用隔膜材料領(lǐng)域,隔膜是技術(shù)壁壘最高的一種高附加值產(chǎn)品,目前全球隔膜的需求量超過數(shù)億平方米,中國的需求量在2 億平方米以上,隨著世界各國及我國新能源政策的實施,鋰離子電池成為電動汽車、電動工具和電動自行車的最佳選擇后,鋰離子電池的市場規(guī)模將很快會擴大到目前的5 ~ 10倍。目前國產(chǎn)隔膜研發(fā)雖然早已開始,但只能生產(chǎn)單層膜,并存在質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性問題。為滿足動力電池的要求,亟待開展三層結(jié)構(gòu)隔膜的研發(fā)。
電解液領(lǐng)域最為關(guān)鍵的材料是電解質(zhì),目前電解質(zhì)鋰鹽是LiPF6,全球年產(chǎn)量已超過2000 t,目前僅日本Stella、關(guān)東電化、森田化學(xué)能批量生產(chǎn),國內(nèi)天津金??缮a(chǎn)鋰鹽溶液,規(guī)模比較小,LiFSI 為一種新型的電解質(zhì)鹽,低溫性能好、氟含量低、對環(huán)境影響好于LiPF6,用于磷酸鐵鋰電池,可提高電池的倍率和低溫性能,應(yīng)用前景廣闊。
在鋰電池全自動生產(chǎn)線裝備制造領(lǐng)域,全自動生產(chǎn)線僅日韓能提供,主要用于生產(chǎn)電腦和手機電池,汽車工業(yè)要求鋰離子動力電池具有高比能量、高比功率、長壽命、低成本,特別是要保證產(chǎn)品的均勻可靠性。其制造技術(shù)難度遠高于小電池的要求,這些致使鋰離子電池行業(yè)須進行重大的結(jié)構(gòu)調(diào)整。用于小型電池的電極制備工藝需要逐漸地被高效、低能耗和低污染的新工藝、新技術(shù)、新裝備所取代。此外,鑒于動力電池的散熱和高功率輸入/ 輸出要求,平板式電芯設(shè)計模式也成為一個新的技術(shù)方向,這就要求我國相應(yīng)的電池制造工藝和裝備不斷地創(chuàng)新和深入發(fā)展。
?。?動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點關(guān)注的問題
我國自發(fā)展鋰電池以來,更多的關(guān)注在涉及到電池及其組件產(chǎn)業(yè)鏈以內(nèi)的各技術(shù)領(lǐng)域,而作為相關(guān)的外延問題卻沒有引起足夠重視。
(1)正負極電活性物質(zhì)的資源問題
自鋰電池誕生以后,包括Li、Co、Mn、Ni 及其相關(guān)化合物引起了人們的極大關(guān)注,尤其是鋰資源更顯得格外重要。按目前的動力電池發(fā)展軌跡預(yù)測,到2050 年,將有約50% 的鋰資源會消耗殆盡。一方面,這些資源的管理應(yīng)切實上升到戰(zhàn)略層面,另一方面,還需有計劃扶持其他的新能源動力技術(shù)如燃料電池技術(shù)。
?。?)動力電池涉及的環(huán)保問題
德國大眾在電動車技術(shù)上走在世界前列,但據(jù)不久前報道,大眾卻宣布放棄電動車最污染的項目—電池制造。這一現(xiàn)象涉及的核心問題之一便是電池制造可能帶來的環(huán)境污染問題。
(3)動力電池使用能源的可再生性
從本質(zhì)意義上講,動力電池僅涉及能源的存儲與轉(zhuǎn)化,而不產(chǎn)生能量,電能從何而來以及如何制造這些電能,也同樣與環(huán)境息息相關(guān),因為不同的能源生產(chǎn)方式會對環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。如果電動車能夠從“清潔”的能源中獲取電能,那么電動車日益增多將有利于環(huán)境和氣候。然而,如果動力電池獲得的能源來自不計污染成本的生產(chǎn)模式,這已失去動力電池作為新能源汽車動力的根本目的與意義。
5 標(biāo)準(zhǔn)化及安全測試領(lǐng)域存在的問題
我國大容量動力鋰電池單體電池已經(jīng)具備了推廣應(yīng)用的條件,產(chǎn)業(yè)化建設(shè)成果顯著。在電池單體方面,規(guī)?;a(chǎn)和規(guī)模化應(yīng)用的條件已經(jīng)基本成熟。但從動力鋰電池要求的高成組性、系統(tǒng)集成性、高安全性等和高標(biāo)準(zhǔn)化要求出發(fā),以下幾個方面的問題甚為突出。
(1)關(guān)鍵質(zhì)量控制方法與可靠性保證技術(shù)仍需完善
標(biāo)準(zhǔn)化通常涉及產(chǎn)品技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)文件本身。目前,國內(nèi)“以人為主”的生產(chǎn)線無法避免高不良率,現(xiàn)有主要用于鉛酸蓄電池的成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備,不能適應(yīng)新型動力電池的技術(shù)要求。這種情形一方面會導(dǎo)致電池生產(chǎn)成本的增加,另一方面使得電池性能不穩(wěn)定,影響到動力電池的一致性、使用壽命等。當(dāng)前發(fā)生的動力鋰電池使用壽命縮短及燃燒、爆炸等安全問題,均是由這些因素所引起。
?。?)標(biāo)準(zhǔn)化缺乏統(tǒng)一管理
由于我國行業(yè)管理等歷史因素,不同類別的電池往往是由不同的工業(yè)部門的企業(yè)主要生產(chǎn)并主導(dǎo)其標(biāo)準(zhǔn)的制修訂,相應(yīng)地行業(yè)管理也歸屬不同工業(yè)部門。國家標(biāo)準(zhǔn)與多個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并存,并且標(biāo)準(zhǔn)范圍交叉重復(fù)的現(xiàn)象無論是對于產(chǎn)品的生產(chǎn)者,還是消費者都造成了相當(dāng)大的困擾,并損害整個產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
?。?)標(biāo)準(zhǔn)體系和市場化的產(chǎn)品與技術(shù)保障體系不完備
除節(jié)能與新能源汽車科研項目中完成了幾項電動汽車用動力電池標(biāo)準(zhǔn)外,動力鋰電池和系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)仍處于空白狀態(tài),而建立成熟的市場化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣應(yīng)用包括節(jié)能與新能源汽車在內(nèi)的與新型動力鋰電池系統(tǒng)的基本條件,而這一條件目前尚不具備。這兩者之間不僅聯(lián)系緊密,而且相互制約。為爭奪市場,迫使所有企業(yè)都成為閉關(guān)自鎖的獨立體系,低水平重復(fù)開發(fā)和拼盡全力去建設(shè)不可能實現(xiàn)的自主產(chǎn)品和技術(shù)保障體系,產(chǎn)品處于完全混亂局面。
?。?)沒有中立的動力電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)符合性及安全試驗平臺
新型動力鋰電池系統(tǒng)集成是一個新興技術(shù)領(lǐng)域,動力鋰電池系統(tǒng)集成涉及到關(guān)鍵零部件及通訊和控制網(wǎng)絡(luò)、接口和通訊協(xié)議等產(chǎn)品,涉及電力、電子、計算機、自動控制等多種高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,涉及到復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)體系,安全問題也十分突出。產(chǎn)品只有通過科學(xué)、合理的標(biāo)準(zhǔn)符合性檢測及安全試驗,才能從根本上保證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性與安全性能。當(dāng)前動力電池領(lǐng)域存在的標(biāo)準(zhǔn)欠缺,標(biāo)準(zhǔn)化工作平臺不完善,必然會影響產(chǎn)業(yè)的規(guī)范化、科學(xué)化發(fā)展。
6 標(biāo)準(zhǔn)化及安全試驗工程技術(shù)平臺建設(shè)的必要性
(1)新技術(shù)領(lǐng)域需要開展標(biāo)準(zhǔn)化研究
新型動力鋰電池系統(tǒng)集成作為一個新興技術(shù)領(lǐng)域,是與鉛酸蓄電池完全不同的新型蓄電池。目前主要用于鉛酸蓄電池的成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備,不能適應(yīng)新型動力鋰電池的特點,與之配套的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要建立在成熟產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究以及標(biāo)準(zhǔn)的符合性檢測基礎(chǔ)之上。
?。?)市場化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣新能源汽車與動力鋰電池系統(tǒng)的基本條件
建立成熟的市場化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣應(yīng)用包括節(jié)能與新能源汽車在內(nèi)的與新型動力鋰電池系統(tǒng)的基本條件。而標(biāo)準(zhǔn)是質(zhì)量保證的基礎(chǔ),要建立相關(guān)市場化保障體系,需建立動力電池產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化及安全試驗工程技術(shù)平臺。
(3)安全性評價是動力電池實施標(biāo)準(zhǔn)化的重要內(nèi)容
動力電池相對于一般的便攜式鋰離子電池而言,安全性問題格外突出。美國小型可充電電池協(xié)會公布的FAA 試驗報告認(rèn)為:非常小的火源就能夠充分將鋰離子電池加熱到打開壓力釋放機構(gòu)的溫度以上; 電解質(zhì)高度可燃且易于被點燃,滿充電電池在火焰中是更加易爆。此外,相關(guān)研究機構(gòu)提出內(nèi)部短路引起的現(xiàn)場失效的過程與在濫用條件引起的過程存在本質(zhì)的不同,一旦內(nèi)部短路點近旁的局部溫度達到一定水平,就可能使電池中所有含能材料分解,對于此,現(xiàn)在采取的保護措施大多是無效的,要解決這一問題,必須重視安全試驗方法研究和手段建設(shè)。
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