中新经纬8月8日电 题：中国锂离子动力电池如何突破千里续航转折点
作者 尤振平 中国国际工程咨询有限公司正高级工程师
张建红 中国国际工程咨询有限公司高级工程师
6月22日，国务院常务会议提出支持新能源汽车消费。7月29日，国务院常务会议部署进一步扩需求举措，明确提出延续免征新能源汽车购置税政策。这也是中国第三次对免征新能源汽车购置税政策进行延长。据中国汽车工业协会统计数据，今年上半年中国新能源(600617)汽车累计销量260万辆，同比增长115%，市场占有率达到21.6%。中汽协预计，2022年中国新能源汽车销量将达到500万辆，同比增长42%。
动力电池是新能源汽车的核心部件，成本约占整车的40%，直接影响着电动汽车的续航和安全性。目前，中国电动汽车主要采用锂离子动力电池。可以预计，巨大的市场将推动锂离子动力电池行业进一步快速发展。
中国锂离子动力电池产量稳居全球第一
据工业和信息化部赛迪研究院近日发布的《中国锂电产业发展指数白皮书》显示，2021年全球锂离子电池市场规模约为545GWh。其中，中国锂离子电池市场规模为324GWh，约占全球市场的59.4%，连续五年成为全球最大的锂电池消费市场。
锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜等材料构成。其中，正极材料是影响锂电池电化学性能的关键因素，决定着电池的能量密度及安全性，进而影响电池的综合性能。从成本角度看，正极材料占锂电池材料成本的比例达30%～40%，是电池整体成本控制的重要因素。当前，锂电池正极材料主要分为锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)以及三元正极材料(NCM/NCA)。
2018年以来，凭借高能量密度优势，三元正极材料在新能源乘用车市场快速发展，其占动力电池比重在2019年、2020年均超过60%。进入2021年后，随着比亚迪(002594)刀片电池和宁德时代(300750)电池无模组化技术(CTP)等的出现，以及国内财政补贴退坡，磷酸铁锂凭借高性价比优势在乘用车市场有所回暖，特别是比亚迪汉、特斯拉Model3、宏光MINI等爆款车型涌现拉动磷酸铁锂装机量逐步回升。
在未来较长时期内，磷酸铁锂电池和三元锂电池将继续作为动力电池的两条主要技术路线存在，电池系统能量160Wh/kg以下的纯电动车以磷酸铁锂电池为主，电池系统能量160Wh/kg以上的高端车型以三元锂电池为主。
在充电基础设施方面，中国已建成全球最大的充换电网络。根据国家能源局数据，截至2022年6月，中国已累计建成392万台电动汽车充电基础设施。2025年将满足超过2000万辆电动汽车的充电需求。据中国电动汽车充电基础设施促进联盟最新统计，截至2022年6月，公共充电桩保有量为152.8万台，同比增长65.55%，紧随新能源车销量增速。
动力锂电行业依然存在发展瓶颈
一是爆燃事故频发。据应急管理部消防救援局统计，全国电动车2021年发生的火灾事故有3000余起，按照去年800万辆的新能源车保有量计算，电动汽车着火概率约为0.03%。有数据显示，今年一季度新能源汽车火灾共计640起，同比增长32%，高于交通工具火灾平均8.8%的增幅。通常情况下，导致锂离子电池发生火灾爆炸事故的直接原因是电池热失控。电池热失控后会产生大量可燃气，其中以氢气为主。另外，随着天气越来越炎热，也会增加电池的安全隐患。
二是里程忧虑。目前，市场上纯电动汽车的续航一般在300公里到700公里。在电池技术没有实质性突破的情况下，靠“堆砌电池”实现里程攀登，不仅挤压车内空间，还会增加车身重量，提高耗电量。这与新能源汽车“节能减排”的初衷相违背。另外，续航的提高，伴随着电池成本的提高，购车成本也会相应提高，这将影响电动车的消费意愿。
三是充电、换电不便利。充电时间过长是充电技术的明显短板。此外，规划建设不平衡、信息统计不完善、运营平台不联通制约充电基础设施建设的难点和堵点尚未有效解决，导致居民建桩难、高速公路充电站平假日“冷热不均”、用户找桩难等问题突出。相比之下，换电效率高出不少，但换电技术本身也有很多不足。首先是换电站的成本投入很高，是建设同等体量充电站的1~3倍。其次，换电站占地面积较大，单个换电站通常需要3~4个标准车位，同时要储备1.5倍于服务车数量的电池。再次，在换电模式下，车主每次使用的都是陌生电池，由于不了解电池属性，衍生出了新的“补能焦虑”。最后，新能源电动汽车的发展趋势是电池和车身一体化，动力电池从最初的模组包装(VDA)到去模组或减少模组(CTP)，再到现在将电池跟底盘结合在一起(CTC/CTB)，电池的拆卸变得越来越难。
四是回收利用迫在眉睫。当前，国内动力锂电回收产业的运营模式总体还处于摸索阶段，缺乏以动力锂电生产公司或电动汽车公司为主体的回收体系，大量退役动力电池流入小作坊等非正规渠道，带来安全和环境隐患。此外，欧盟各国也推出日益严苛的碳排放监管政策，向中国新能源车企提出了针对低碳生产、材料回收、LCA(电池全生命周期碳排放)等方面的明确要求。
五是技术短板亟待补齐。在全固态的全球电池专利方面，日本、韩国领先优势明显；在电池基础理论研究方面，美国的实力不容小觑；在电池设计制造等方面，欧洲也具有相当的优势。专利调查和分析机构Patent Result的数据显示，截至2022年3月，全固态电池专利数前十名中，有日本企业6家、韩国企业4家，没有一家中国企业上榜。
多措并举推动动力锂电行业行稳致远
第一，提升安全性。一是电池本体安全，即从材料和工艺等角度提升电池安全性，比如开发难燃或不可燃电解液，更高熔点的有机隔膜、无机隔膜和高稳定性正极材料等。二是电池使用过程中的安全，主要是强化热失控预测预警技术。目前已有技术可对动力电池火灾进行三级预警，包括故障预警、热失控预警和火灾报警。三是消防安全，主要是研发高效灭火和抗复燃技术。目前，已开发出兼具化学灭火功能和物理降温功能的灭火剂，并针对动力电池火灾的特性，开发出灭火药剂释放程序控制方法。
第二，实现千里续航转折点。围绕最大化提升电池包体积利用效率，各动力电池企业纷纷推出创新设计，软包、硬壳、圆柱、CTP、CTC、长刀、短刀等各具优势，并取得一定成果。目前，已有动力锂电通过材料创新和结构创新，提升系统集成效率和能量密度，实现一千公里续航。要从技术上实现一千公里续航一般会采用高压电气构架、高比能量高镍三元锂电，部分厂家还可能尝试固液混合的高镍三元锂电，这将带动固态电池的产业化进程加速，对快充技术及安全技术的要求也会更高。实现千里续航不仅是锂电池技术发展的转折点，也是电动汽车快速增长的基础。
第三，加快充电基础设施建设。一是统筹做好新能源汽车与能源协同发展的顶层设计，分析不同汽车技术路线的能源需求和减碳潜力，明确新能源汽车和能源系统协同的基本路径、总体目标和任务。二是系统提升充电基础设施服务能力，加强充电网络规划布局，推进社区充电设施建设，大力推广有序充电，提升高速公路沿线充电设施建设运营水平。三是提高充电基础设施接入电网能力，做好电网规划与充电设施规划的衔接，构建以“车桩网”为载体的“源网荷”互动体系，推进新能源汽车与电力系统、绿色能源融合技术的创新发展。在充电效率没有突破性的进展之前，可鼓励在公共领域积极探索换电模式，在局部范围内开展换电模式的试点示范运行。
第四，建立规范高效的回收系统。一是改进动力锂电回收利用政策。动力锂电回收机制要与新能源汽车奖补政策结合，主要依靠信息化手段，辅以行业管理规范，约束相关责任主体行为。二是建立动力锂电信息化监管平台，分别对回收溯源、梯级利用、再生利用进行编码和管理。三是建立废旧动力锂电回收体系。报废汽车拆解企业要与汽车生产企业、动力锂电生产企业、回收利用企业建立合作网络。四是保证储运的安全。废旧动力锂电贮存运输要按危险货物管理，保证安全。五是先梯级利用后再生利用。按照相关要求，轻度报废电池经过筛分、拆解、重组后贴上梯级利用标签，可再用于储能系统、路灯、UPS电源、低速电动汽车等领域。重度报废电池(电池性能下降到原性能的50%以下)通过拆解再生，回收其中的电极材料，尤其是钴(Co)、镍(Ni)、锂(Li)等贵金属。
第五，有针对性地补齐技术短板。一是加快技术创新和转化应用，在确保安全的基础上进一步提高能量密度和寿命。提升电池组本身的BMS(电池管理系统)、内部结构设计、电芯质量、工艺管理等。加强锂离子电池包回收技术研发，支持快速检测技术与标准的研发。二是聚焦产业链，促进产业融合。鼓励行业机构及企业开展有序充电、V2G等技术应用示范，加快柔性充电、无线充电、自动充电等先进技术研发，推进新能源汽车与电力系统、绿色能源融合技术的创新发展，促进“人―车―桩―网”各环节的融合衔接，支持运营企业增大双向充电桩的建设力度，实现以科技创新促进产业融合发展。(中新经纬APP)
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