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动力电池技术发展瓶颈分析及建议

2021-5-7 10:11:18  815 新能源汽车 动力电池
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通过对2019年新能源汽车动力电池配套行业数据进行调查,研究梳理电池技术在新能源汽车发展过程中出现的问题瓶颈,归纳分析产生车辆安全事故的根本原因,进而从电池系统研发设计、电芯生产制造、生产质量管控等方面,提出对动力电池系统在安全性防护方面的技术要求和管理要求,期望为未来新能源汽车动力电池技术持续发展提供良好建议。
发展新能源汽车,是我国由汽车大国迈向汽车强国的必由之路。自2012年国务院发布实施《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》以来,我国新能源汽车产业发展取得了举世瞩目的成就,成为引领世界汽车产业转型的重要力量。20201027日,由工业和信息化部指导、中国汽车工程学会组织全行业专家修订编制的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》(以下简称技术路线图2.0”)在上海正式对外发布,进一步研究确认全球汽车技术低碳化、信息化、智能化发展方向,新能源汽车将逐渐成为主流产品,汽车产业基本实现电动化转型成为2035年我国汽车产业发展的六大目标之一。为了更好地落实技术路线图2.0”规划目标,以下从3个方面分析新能源汽车发展中动力电池的技术瓶颈,并提出对策建议供行业参考。
1 2019-2020年中国汽车动力电池产业技术状况
1.1 动力电池产业态势
2019年,我国新能源汽车及动力电池产业面临内忧外患的紧迫形势。
在产业发展方面,国内动力电池产能结构性过剩问题仍然存在,2019年度新能源汽车的市场表现差强人意,连续6个月出现负增长,对动力电池产业的发展产生了负面影响。
在产品成本方面,企业降本增效的压力和挑战还较大:一是上游原材料价格波动对电池成本影响较大,二是目前依靠技术迭代实现成本大幅缩减的路径还在摸索。
在政策导向方面,2019年度补贴大幅退坡后,整车企业将资金压力传导至电池企业,部分企业市场议价能力较弱,盈利水平大幅降低,营收方面过度依赖补贴回款,已经出现经营难以为继的情况。
在技术发展方面,动力电池关键技术研发仍需加强,关键材料和新型材料、固态电池等方面的研发投入仍然不足,核心技术专利较为缺乏,成套自动化装备水平不高,动力电池产品一致性、可靠性还有待提升。
从国内市场来看,随着新能源汽车产业的快速发展,我国动力电池在生产规模和产品性能上均呈现较大幅度的提升,已涌现出一批具有国际竞争力的优势企业,但整体上面临市场增长乏力、成本居高不下、产品安全和质量一致性、技术亟待创新突破等问题。许多锂电池相关事故的原因,都指向锂电池的质量缺陷问题,比如生产过程中引入毛刺,活性物质涂覆不均,极耳焊接工艺缺陷等问题。
从实践中看,在规范实施系统性质量管控的基础上,电池产品如果出现质量问题,主要原因仍然与电池产品的设计相关联。例如,为了提升动力电池的能量密度而使用较薄的隔膜,但却会造成产品的制造质量管控难度提升,产品很容易产生瑕疵等质量问题。
因此,电芯的设计仍然是提高电芯安全性的根本,而质量瑕疵是次生原因所在。
1.2 新能源及动力电池产业2019年度主要特点
1.2.1 新能源汽车产量出现首次下滑
据行业协会统计,全年共计生产新能源汽车117.68万辆,同比下降3.56%;其中新能源乘用车100.73万辆、新能源客车9.91万辆、新能源专用车11.39万辆,以乘用车为市场主体。新能源乘用车中纯电动、插电式混合动力车分别为75.18万辆、25.55万辆。全年总体出现新能源汽车产量下滑,主要受补贴退坡的影响。
1.2.2 动力电池装车量持续呈现正增长
2019年度尽管新能源汽车销量出现首次下滑,但随着单台车平均带电量的增加,全年动力电池装车量仍呈现正增长,共计装车62.2GWh,同比增长9.2%。其中,三元电池为40.5GWh,磷酸铁锂电池为20.2GWh,锰酸锂电池为0.5GWh,钛酸锂电池为0.4GWh,三元电池装车量仍占据市场主体地位。
从外形工艺看,2019年方形电池占比进一步提升,圆柱电池市场份额持续收窄。2019年我国方形、软包和圆柱动力电池装车量分别为51.8GWh6.3GWh4.1GWh,分别占动力电池总装车量的83.2%10.1%6.7%
包装路线作为影响能量密度的重要因素,竞争格局随能量密度趋势发生变动。电池包装路线分为方形、圆柱和软包3类,理论能量密度上限从高到低依次为软包、方形和圆柱。2019年乘用车中,方形电池装机量为34.32GWh(同比增长45.04%),软包电池装机量为5.86GWh(同比增长16.55%),圆柱电池装机量为2.06GWh(同比下降53.03%),方形电池装机量和增速超过软包、圆柱形2类电池,对圆柱形电池的替代趋势明显,如表1~3所示。
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1.2.3 动力电池产业集中度进一步提高
2019年,随着补贴大幅度退坡和市场对电池产品质量要求的进一步提高,2019年全年共计79家动力电池企业为整车配套,相比2018年减少14家。
排名前3、前5、前10的动力电池企业动力电池装车量分别为45.6GWh49.2GWh54.7GWh,占总装车量比分别为73.4%79.1%87.9%,行业集中度明显上升。
1.2.4 动力电池技术水平进一步提升(带动成本下降)
根据2019626日开始执行的新补贴标准,160Wh/kg以上车辆能够获得1倍补贴,新能源汽车动力电池能量密度提升将是行业发展的重要方向,补贴政策或许能够帮助推动高能量密度电池占比。2019年动力电池系统能量密度的分布,进一步证明电池产品的优胜劣汰。预计2020160Wh/kg的电池占比将会显著提升。
2019年动力电池装机主要集中在140Wh/kg以上区间,其中又以按2018年标准可获得1.1倍补贴系数的140~150Wh/kg的产品装机最多。
2019160Wh/kg以上电池装机量为9.86GWh,主要供应商为宁德时代(6.26GWh)、比亚迪(1.51GWh)、孚能科技(0.37GWh)。
2019年度,三元电池和磷酸铁锂电池系统能量密度分别达到182Wh/kg145Wh/kg,带动电池成本进一步下降。以宁德时代、天津力神为代表,300Wh/kg的单体电池产品技术开发已取得显著进展;以中科院物理所、卫蓝等为代表,固态电池技术研发也取得一定程度的进展。
1.2.5 动力电池安全成为全产业关注的焦点
据不完全统计,2019年全年起火事故车辆高达7余辆,事故比例较高。
尽管整车安全涉及到多个方面,不能单单归咎于某单个技术环节,但整车安全控制技术、电池安全技术及热扩散控制技术,以及充电安全预警技术等,是产业能否高质量发展的关键所在。
2新能源汽车动力电池技术问题瓶颈
2.1 锂电芯的安全问题是技术瓶颈的根本
从技术路线图1.0发布以来的技术实践可以看到,锂电芯的安全问题是技术瓶颈的根本。在近十多年的电池行业研究中,已确定锂电芯的安全问题跟材料有很大的关联性。比如隔膜材料,目前PE/PP/PE塑料复合隔膜的融解温度基本在150℃左右,但双面陶瓷涂覆的PE隔膜融解温度则可以达到180℃以上,选择后者可以有效地提高电芯耐高温能力,并降低热失控的机率。
不同正负极材料的锂电池,安全性差异也较大。LiFePO4电芯的能量密度较低,但其热稳定性更好,三元电芯的能量密度较高,但其安全性较差,选择前者无疑有利于电池安全性的提高。
最关键的是锂电池电解液本身便是可燃性材料。全球许多锂电池研究机构都在研究利用难燃性的电解液,或者阻燃性的添加剂,来改善锂电池的安全性。然而,这些开发技术多数仍然不够成熟,通常会影响电池效能或者寿命,因此仍然无法被市场所接受。以现阶段新能源汽车推广应用的实践经验而言,锂电池起火风险始终是无法避免的安全议题。
2.2 电池系统轻量化技术是技术瓶颈的工程难题
行业数据显示,圆柱电芯模组的成组效率约为90%,系统成组效率约为70%;软包电池模组的成组效率约为89%,系统成组效率约为65%;方壳电池模组的成组效率约为92%,系统成组效率约为75%
按照目前的成组效率计算,要达到《促进汽车动力电池产业发展行动》中提出的2020年新型锂离子电池系统能量密度达到260Wh/kg的要求,圆柱单体电芯需达到370Wh/kg,软包单体电芯需要达到400Wh/kg,方壳单体电芯需要达到347Wh/kg,难度较大。
基于行业组分材料分析,提高成组效率成为提高动力电池系统能量密度的另一条出路。动力电池系统轻量化设计,是提高系统成组效率的关键技术之一,对提高动力电池系统质量能量密度起到非常重要的作用。
动力电池模块和箱体结构优化,是在保证电池包结构强度的基础上,减少非储能物质的运用。通过CAD/CAE/CAM一体化技术对电池箱结构进行优化和分析,实现箱体内部零部件的精简、整体化和轻量化,是电池箱体设计过程中的主要方法。
轻质新材料的使用,比如已经初步实现运用铝合金材料;同时,高强钢强度的大幅提升,可以帮助实现箱体的薄壁化设计,从而实现动力电池包的轻量化设计。复合材料具有轻质高强度等优良性能,如SMCBMC等热固性复合材料在动力电池箱体轻量化发展方向上能够发挥重要作用。碳纤维复合材料由于高成本的限制,应用较少,但随着复合材料的成本降低,未来复合材料有望在电池包箱体上实现大规模的应用。
3动力电池系统的安全防护作为解决方案突破点
动力电池系统是由电芯、模组、控制系统、辅助功能模块、外壳等组成的一个完整系统。在整车行驶过程中,电池系统不断受到各种严苛的机械环境条件,比如高低温冲击、振动和机械冲击,道路石子撞击、交通车辆碰撞等异常情况,电气连接部分逐渐或突然松脱,造成连接处阻抗明显增大,产生大量热量,热量传导给电池,最终导致局部电池热失控并迅速扩散到整个电池造成整个车辆的起火。
市场上多起整车起火案例或电池产品的起火案例,都与电气连接松脱有关。比如20082月丰田普锐斯插电式混合汽车的起火事件,由于电池模组输出端的连接点组装工艺出错,造成连接处无法有效锁紧,并且无紧固装置。
为此,应从设计、质量管控和滥用防护等3方面协同考虑动力电池系统安全防护措施。尤其是设计环节,是实现动力电池系统安全的首要条件。建议在电池系统安全设计方面,关注电池包外壳机械强度、内部塑料绝缘件绝缘衰减、电池包内部的线缆固定、电气连接锁紧装置、高压电路防护、动力电池高压互锁、电池系统热管理等关键相关因素,对动力电池系统开展正向设计。
此外,多材料、轻量化的动力电池包箱体设计开发,是未来发展趋势之一,在箱体不同部位应用不同材料、实现最优箱体结构设计的同时,开展高强钢、高性能铝合金、碳纤维增强复合材料、工程塑料和合成橡胶及制品等车辆轻量化关键材料产业化应用。还应强调,动力电池的安全标准无法涵盖所有的滥用情况,尤其是极端滥用条件,比如说高速碰撞、碰撞后落水、异物刺穿等情况,动力电池厂家应根据整车的性能和安全要求以及失效风险分析制定电池的安全方案和测试验证规范,将相关风险控制在整车行业可接受的水平。
4结论
新能源汽车未来十五年的发展,汽车产业技术进步仍然日新月异,企业将继续面临汽车产业内外部环境不断发生变化的严峻挑战。文章所介绍的新能源汽车动力电池产业现状、特点、发展趋势、存在问题、建议及解决方案,因调研收集材料局限,分析仅为一己之言,还望企业实体参考使用。为了保障新能源汽车技术发展的科学性、时效性和引领性,希望行业同仁在工业和信息化部的指导下,按照新能源汽车产业规划(2021~2035年)及新能源汽车技术路线图2.0的指引,持续开展动力电池技术攻关工程,为行业总体发展提供有效解决方案。

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