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電動汽車論壇 電動汽車論壇-電動汽車網 『 電動汽車愛好者交流區 』 沈晞:鋰電池技術和行業發展的若干趨勢
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沈晞:鋰電池技術和行業發展的若干趨勢 精華 1  [復制鏈接]

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原創: 沈晞  NE時代


沈晞:鋰電池技術和行業發展的若干趨勢(第1頁) -   640.webp (12).jpg

第一是希望鋰電產業能夠回到重視基本商業邏輯,重視各自環節上的利潤和社會收益的狀態。第二是希望全產業鏈要有全方位的健康發展。


文為NE時代和同科芯能于10月16-17日聯合主辦的 "2019中日韓下一代新能源汽車電池技術大會"演講嘉賓的現場實錄。
演講人:沈晞 原比亞迪鋰電事業部副總
演講主題:鋰電池技術和行業發展的若干趨勢
大家下午好,今天我還是想來講一些稍微偏宏觀一點的東西,也會涉及到跟電池安全和一些其他趨勢相關的東西,我的PPT不會寫太多字,希望盡量能夠給大家分享清楚我的一些觀點和看法。

首先我們今天這個報告的主題主要是想從兩個關鍵詞入手,從決定性的因素和最終的發展趨勢,想做一些對業內的總結和提醒。

這里簡單回顧一下,我們鋰電其實已經發展了近三十年了,而且前段時間正好三位鋰電科學家拿了諾貝爾化學獎。在三十年中間我們可以大致以十年為一個區間分成三個階段,第一個階段肯定是日本的時代,大家知道那時候日本是作為一個先行者在鋰電行業引導了整個電池的工業化、商業化的發展。第二個十年我們中日韓三方開始在進行一些競逐,在不同的階段有不同的人在發力,這個階段中國本身是處于一個積蓄力量的階段。到第三個十年主角應該是在中國,基于國家產業政策的變化和調整,以及他帶來的一個正向的推動的作用,包括我們國家全產業鏈的一個飛速的發展,這樣的話給無論從裝備、材料,以及到包括電池的設計制造等等方面都給予了一個非常大的助力,所以這個時代是中國占有一些優勢。

接下來未來的十年,大家知道會有很多的問題出現,未來的十年我們應該怎樣去做,或者未來的十年會有一些什么樣的特征,這個也是我們都很困惑的事情。雖然我一直在這個行業內,但是還是會有很多的搞不清楚的東西,至少有兩個問題我認為是必須要解決的。

第一是希望鋰電產業能夠回到重視基本商業邏輯,重視各自環節上的利潤和社會收益的狀態。第二是希望全產業鏈要有全方位的健康發展。以我個人的經歷來看,現在產業鏈的許多環節其實并不是處在一種非常健康的經營狀態,我希望下一個十年這種狀況會發生一些好的轉變。

我們剛剛說下一個十年會碰到很大的挑戰,直接跟電池的相關的就是對電動車的挑戰,目前大家對電動車還是有很大的疑慮。典型的看法例如里程焦慮,價格不夠低,電動車很多極端條件下也不能用。比如說一些東北的朋友覺得電動車不好用,一到冬天開不了。電動車充電時間很長,不能像加油那么快,基礎設施也不足,充電樁數量不夠。這都是大家比較比較困惑比較焦慮的地方。舊車的殘值難以界定,到二手車市場交易不值錢,對很多用戶也有很大影響。還有很多專家質疑電動車看起來是清潔能源,但是從所有零部件包括電動車本身的制造及生命全周期來看,能耗和碳排放并不一定有很大的環保優勢。

這些看法有些是沒有充分的驗證和數據,有一些確實是方向性上的問題,所以我們就會碰到很多的困惑。我們應該采用一種什么樣的思考方法、怎么去破局這是我們需要面對的挑戰。我們怎么做未來的電動車,我們想從哪些方面入手?這個問題很大,這里也只能提一些個人的觀點。

第一,電動車之所以現在沒有對燃油車造成一個根本性的沖擊,是因為沒有體現出一些顛覆性的使用體驗。因為這個時代其實已經從功能性消費的時代,轉到體驗型消費時代。這樣的大環境背景下,如果沒有一個很顛覆性的體驗,大家不會愿意去花更多的錢去購置電動車。

第二,燃油車和電動車既然都是車,就必然要考慮價格的問題。電動車如果價格繼續偏高,市場的吸引力就會不夠。
因此我們應該創造出顛覆性的體驗,能夠把電動車和所應用的場景去做很好的匹配,而不是片面地追求一些技術指標。電動車要具有足夠的價格吸引力,并通過大量實際數據的積累,體現出電動車環保方面的優勢。

那么對應到電動車的核心零部件和動力源泉,鋰電怎么去做?鋰電也需要有很多明確的應對措施。首先需要去消除電池可靠性和安全性帶來的一些疑慮。其次要追求電池性能的平衡,不要去偏向某一方面,實際從用戶的真正實際需求出發。第三要把成本繼續做低,終究大家是回到成本的方面去考慮一個公司的利潤和價值。我們估算如果和燃油車有基本上同等的價格競爭力,電池方面大概要達到六毛錢一瓦時的水平。第四要力求實現綠色的全過程,包括從綠色設計、綠色制造,到綠色回收。有些東西在設計端不體現出來,到后面再做已經沒有用了。在日益重視環保的局面下這也是有關成本的。

我們再來看看哪些是決定以后鋰電發展的決定性因素。影響因素里面有“快”有“慢”。有的作用時間很長,會在很長的時間內都發生影響和作用,從歷史的尺度上累積效應也很大。就是說里單看某一個時間段內影響可能不是很大,但是放到五年、十年的時間長度來看會產生一個非常大的影響。通過找到一些比較大、作用時間比較長的影響因素,我們就可以知道這個產業究竟是在發展還是在停滯,在朝哪一方面發展。就可以找到定力。有了定力我們才能更好的做事情。

我們看一下對鋰電發展作用時間比較長的影響因素,這里列了幾個例子。比如說產業的融合、技術創新、市場化導向、社會分工和將來的人工智能化,比較“快”的影響因素也有。比如說現在的產業補貼政策只能在一定的時間內發生作用,一退坡大家就很緊張。包括一些大額的訂單,原材料如鈷的價格變化等等,它們發生作用的時間比較短,短時間內的作用效果可能是非常顯著的,但是長時間維度下不能過分的依賴它的作用。

在很多個影響因素里面我們想重點的談一下技術創新的影響。我們知道中國的技術創新開始是“窮人的創新”,即局部創新、流程創新和基于后發優勢的創新。我國鋰電發展前二十年有很多此類的創新,確實是收到了不錯的效果。比如說早年我國的三元、鋰錳的布局不是很充分,磷酸鐵鋰的出現使得我們可以很快的趕上,可以很快的積累優勢。但現在的局面和二十年前的局面不一樣了。

現在中國整個社會的物質方面比以前充裕了很多,現在是一個比較豐裕的社會。這樣包括消費習慣,包括人們的心理因素都會發生一些變化。這個時候技術創新也同樣會發生一些變化。未來的這個十年,在中國的角度上,技術創新還會有一些特殊的優勢。

一個是工程師的紅利。大家知道我們中國有很多數量非常巨大的受過高等教育的人才,可以形成一個很大的力量。可以不斷地去高效的試錯。現在電動車的整個產業,有很多東西都是新的,很多還在摸索中進行,很多都是試錯的工作,工程師越多,試錯的速度越快,技術迭代得越快,這是我們技術創新的一個顯著優勢。

還有我們的市場很大,大市場下面可以有很多種方向的技術創新出現,有些很小的局部也可以演變成一個比較大的機會,所以這也是中國目前的優勢。但是怎么把這兩個優勢用好,還是有很多挑戰。比如說上面說到工程師多,試錯就快,技術迭代就快。但是如果以后AI充分發展,例如高通量實驗平臺的技術,成熟應用得很廣泛,這個方面我們就會受到很大的挑戰。

技術創新其實最重要的是與應用場景的匹配。有些時候不是說一定要追求一個看起來非常高大上的,非常尖端的技術。有些時候尖端的技術并不能夠直接的轉化成很好的商業利潤,不能轉化成一個特定產業的良好發展。我們要找到最合適的,對我們電動汽車產業、動力電池產業最為匹配的技術。

例如磷酸鐵鋰電池在電動叉車上的使用,是基于應用的一些典型特征。比如說對能量密度的不敏感,成本導向的敏感,對于快速充電和低溫的要求,對于循環壽命的要求。這樣的話磷酸鐵鋰這個技術方案對電動叉車來說就是比較合適的。數據也證明在電動叉車的電池中,磷酸鐵鋰電池確實是占了非常大的市場比例,也取得了非常好的效果。為什么不是三元電池,為什么也不是其他的電化學體系,是因為與市場比較匹配。

大家知道電池的熱管理是從自然冷卻到風冷,再到液冷這樣一步步慢慢發展起來的。那么現在是不是所有的應用場景都用液冷比較好?我們還是要分應用場景。比如說我們營運性的電動車,為了控制熱量積累的問題,目前基本都是用液冷。但對于集裝箱式儲能電池的系統,由于一些條件的限制,多數還只能用風冷。再看現在逐步開始替換的5G基站的電池,風冷可能都做不到,只能靠自然冷卻。而且需要更好地設計自然冷卻的熱管理系統以達到更好的冷卻效果。技術與應用場景的匹配是非常重要的,有時候決定一個技術的生死,有時候決定一個產品的生死。

技術創新還有一個特點,最近經常提到核心技術和應用技術。其實大家想想,從過去二十年來看。其實推動鋰電發展的絕大多數都不是核心技術,而是一些應用技術。比如說正負極壓實密度的提升、導電劑粘結劑的減少、鋁殼變薄、隔膜集流體厚度的減少、托盤及固定結構的輕量化、提高電池包的填充比等等,這些都是應用技術。應用技術同樣需要花費大量的時間做到精細化,體現出它的價值,這樣的話也能夠對整個產品做出很明顯的提升。

反倒是有一些看起來比較核心的技術,包括一些高鎳材料,硅負極等,現在真正在車上用起來還是碰到這樣那樣的問題,還不是那么順利。所以我們在選擇的時候,一定要重視核心技術,但是絕對不能忽視應用型的技術。像在汽車工業中發展過程中間也有一些例子,美國二十世紀初期流水線的出現,有可能比那時候的發動機技術更為重要。因為那時候先進的發動機技術更多地集中在歐洲,但卻是福特通用首先把汽車的大規模化生產做起來的。所以有的時候,這些看起來不起眼的技術迭代和改進是非常有必要而且非常重要的。

下面我們看看核心技術選擇的問題。這個其實昨天下午我們也討論了很多,右邊是一些大家都迫切期望使用的技術,如全固態電池,鋰金屬負極,硅負極等。但是當前我們也碰到了很多的問題,比如說硅負極真正在方形電池里面用的確實還很少,而且高溫壽命和儲存方面還沒有一家公司能夠解決得很好。技術選擇有很多道路,從哪些思路考慮、采用哪些道路其實是一個很大的挑戰,選錯方向一定要走很多的彎路。相對于右邊的這些技術,目前我更看重左邊的技術,比如高電壓材料體系,其他成分的高鎳材料,不限于現在的三元或者四元材料。高鎳體系里面有很多通用性的結論是將近二十年前做出來的,這二十年內實驗技術,包括一些檢測的技術進步了太多,這里面真正的細化做很多實驗的話,可以發現很多新的東西。遺憾的是現在依舊借用了很多以前的想法和看法,并沒有做很多的進一步的探索。再比如說離子液體的技術,要花很多的人力物力做很多的篩選,我們寄希望高通量實驗平臺的技術幫我們提高這個效率,以前做幾十種,幾百種,后面能不能做的更多。

還有新舊融合的問題。很多技術都不是一個突然出現的全新的顛覆性的東西,很多都是迭代。包括我們看這些正極材料,其實在2000年左右很多的正極材料、負極材料、隔膜都出現了,例如耐高溫的PET的隔膜,現在這種耐高溫的隔膜又重新煥發出一些活力。比亞迪2002年就做疊片結構的動力電池,后來因為成本的問題轉到卷繞結構,到現在整個行業又變得更加重視疊片的結構。這跟應用的場景有關系。應用場景的變化也會導致材料選擇上的變化,比如天然石墨和人造石墨。天然石墨有很多的優點也有很多的缺點,膨脹大一些,成膜的消耗也大一些,但是離子電導率好一些。人造石墨基本上有一些相對應的特點,膨脹小高溫壽命比較好,相對于低溫下的阻抗就要大一些。從石墨的歷史銷售數據可以看到實現兩個反轉,在2010年到2014年五年間,天然石墨石占到主要的份額,完全就是基于應用場景選擇的問題。當時鋰電的成本壓力是非常大的,面臨著從幾塊錢每瓦時降到一塊錢或者更低的要求,所以選擇天然石墨是比較合適的,因為那時候確實比人造石墨便宜很多。而且那時候電池普遍熱管理系統不健全,沒有加熱的功能,沒有加熱的功能就希望這個電池高低溫性能更均衡一些,用天然石墨可能比人造石墨更加適合。20那時市場上大部分還是磷酸鐵鋰電池,因為磷酸鐵鋰的膨脹問題比較小一些,正好搭配天然石墨的負極,也沒有出現太多的問題。這些原因和應用的場景導致了天然石墨有一個爆發期,但是現在隨著高鎳電池的普遍應用,人造石墨又占了主流。膨脹是一個很大的問題,給安全或者一些性能方面帶來很多的影響,這個時候繼續去使用天然石墨就會碰到很大的挑戰。有一些時候應用場景發生了變化,你選擇的技術方向也會發生變化。

鋰電發展的趨勢有很多,大的趨勢大家都看得見也比較清晰,如能量密度提升,安全性的提升等。而小的趨勢就多種多樣了。在發展的初期,必須重視大趨勢。在發展的后期,小的趨勢慢慢會發生一些轉變,有可能變大。所以有句話叫小眾才是主流。我們要善于從小趨勢中找到一些未來的方向,這樣才能把握住機會。比如無溶劑化的設計,比如超厚電極,比如電池型號的標準化,檢測的自動化等等。

大家都知道電池的安全性能還需要繼續提升,安全性能的提升有很多的途徑。對于熱失控,基本上是經歷四個階段,熱引發、熱積聚、熱蔓延、熱破壞,這里我抽了一些關鍵的影響因素出來,因為要找到一些有效的對應措施。

比如說電池會碰到很多濫用,其中最頭疼的是與電化學濫用和電池固有設計相關的鋰枝晶的產生,熱引發階段,包括T1到T2的階段,如何去防止鋰枝晶是一個很大的課題。

下一個階段有一個明顯的熱積聚的過程,溫度是會逐漸上升的,由于正負極接觸帶來的熱量有比較大的貢獻,所以在熱積聚的階段我們需要防止短路的發生,做一些提前的關斷,或者從這個過程中間轉移掉一部分熱量,這都是比較有效的方法。比如說用耐高溫防短路的隔膜,陶瓷涂布的技術避免短路的發生。另外提前切段,如Fuse、CID、包括產氣劑的使用,提前產氣、提前關斷回路這個都是屬于這個范疇。包括一些熱量的轉移,比如說做一個過充實驗,在有冷卻的情況下和沒有冷卻的情況下達到熱失控點的時間是完全不一樣的。

熱蔓延的過程,在各種標準里面都有體現。最重要的是加強熱隔離,這個方面今天聽到大家講了一些,我們還是要從構建每個電芯獨立的熱環境去考慮,因為在電池組成中有很多可以傳遞熱量的途徑。比如說單體電池中間的大面使用絕熱材料隔開了,但這個電池有沒有冷卻系統,冷卻系統的液冷管會不會導熱?即使沒有冷卻系統,還有電芯間的導電連接片,導電連接片的熱量傳遞是不是可以忽略?要做哪些設計能夠把其他方面可能產生的熱傳遞盡量減少?最理想的是每個電芯處于相對獨立的絕熱環境中,我們可以做很多相關的設計。

熱蔓延階段之后是熱破壞,其實這個方面有很多的研究途徑,但是相反的對這方面的研究反而比較少。比如說防爆燃和防拉弧。電動車出現安全事故時,如果都是四面八方噴火燃燒,顯然就是排氣的途徑和方向沒有很好的控制。氣體排出而不產生爆燃的條件需要如何去控制?這是大家需要更加關心的問題。電池經歷高溫后內部電氣絕緣的失效容易產生拉弧,極高的溫度會加速燃燒,加大人員逃離的難度。所以在電池包的設計上面必須充分的重視對成員艙的保護。

檢測的自動化。我們現在的電芯要提高安全,不光是從設計,制造和品質控制方面也必須充分考慮。目前電芯生產線的自動化程度都很高,相反品質檢測和控制的自動化程度反倒不高,檢測的及時性和有效性都是問題。檢測的自動化提高,對整個制造流程都會有很大的幫助。

型號的標準化。很多廠家其實是很想去做,又往往會有妥協。要達到低成本,電芯的標準化從各個環節來說都是非常重要的,包括品質控制、采購、物流、售后、設計驗證等。主流的應用8種電芯應該足夠覆蓋需求,但是怎么去推動實現是很頭痛的事情。不能強制,只能通過慢慢市場的引導,通過價格的吸引力,從被動的到主動的選擇,引導客戶做一些主動的選擇。

以上很粗淺的分享了一下自己的看法,我們面臨的挑戰還是非常多,但是也是會有很多種對應的方法,我們還是應該保持著很好的信心,持續推動鋰電行業的發展!
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