中國(guó)工程院院士楊裕生：電動(dòng)汽車的發(fā)展路線與下一代動(dòng)力電池
圖為中國(guó)工程院院士楊裕生在CBIS2018“鋰想”峰會(huì)上發(fā)表主題演講
戳此進(jìn)入峰會(huì)官方專題，了解更多會(huì)議信息：“鋰想”2018第三屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2018)
2018年11月8日，以“新時(shí)代·破而立：前行中的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。中國(guó)工程院院士楊裕生在峰會(huì)上發(fā)表主題演講，以下為主題演講內(nèi)容。
中國(guó)工程院院士楊裕生：
今天講“電動(dòng)汽車的發(fā)展路線與下一代動(dòng)力電池”。為什么要把電動(dòng)汽車的發(fā)展路線和下一代動(dòng)力電池連在一起來(lái)講？因?yàn)槲乙恢闭J(rèn)為，什么樣的電動(dòng)汽車的路線就應(yīng)該發(fā)展什么樣的動(dòng)力電池，這是兩個(gè)相關(guān)的問題。
講三個(gè)問題：第一，發(fā)展路線與電池；第二，純電動(dòng)汽車的路線的下一代電池。第三，增程式路線的下一代電池。
先講幾個(gè)觀點(diǎn)：第一，電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池相互依存、相互促進(jìn)，這個(gè)大家都可以理解，但是相互制約提的不多。第二，按電池水平來(lái)做電動(dòng)汽車。舉個(gè)例子，鎳氫電池做PRIUS的混動(dòng)，這是日本的豐田到去年的8月份已經(jīng)銷售1千萬(wàn)輛的車子，今年又有大的增長(zhǎng)，這個(gè)電池用的很好，比能量只有50多瓦時(shí)/公斤。所以不是說(shuō)一定要追求高比能量才能做出好的車子。第三，電池真正的進(jìn)步才能推動(dòng)電動(dòng)汽車水平的提高，冒進(jìn)就要吃苦。就是說(shuō)電池如果不成熟，實(shí)際上是處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)的電池，如果把它大量的用在汽車上，就要出問題。第四，電動(dòng)汽車的主要矛盾是安全和里程的對(duì)立。這是我提出來(lái)的一個(gè)觀點(diǎn)。第五，安全性是矛盾的主要方面，里程是次要方面，不可顛倒。我們學(xué)過毛主席的矛盾論，都要講認(rèn)可事物都要分析它的主要矛盾，矛盾當(dāng)中主要方面跟次要方面也要分清楚，如果不分清楚，把主要矛盾、次要矛盾搞錯(cuò)了，最后我們就要走彎路。主要矛盾反映在電池上，是危險(xiǎn)性與比能量的矛盾，電池的危險(xiǎn)性制約“電動(dòng)汽車?yán)锍屉S心所欲提高”，我這里講的隨心所欲提高是我們現(xiàn)在每年都在提高要求。瞄準(zhǔn)了250公里、300公里、400公里，現(xiàn)在還想沖擊500公里，這就是隨心所欲。
第一個(gè)問題，電動(dòng)汽車發(fā)展路線和電池。
國(guó)家科技部的“三縱”路線最初提出是“純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車”，后來(lái)混合動(dòng)力汽車就改成了插電式電動(dòng)汽車，后來(lái)插電式電動(dòng)汽車又改成增程式電動(dòng)汽車，這個(gè)變化前后大概10年的時(shí)間，增程式是今年1月份的電動(dòng)汽車百人會(huì)上萬(wàn)鋼副主席正式宣布的，新的“三縱”是增程式代替了“插電式”。
為什么會(huì)有這樣的變化？說(shuō)的不好聽就“心中無(wú)數(shù)，重點(diǎn)不清，路線搖擺”。不同的電動(dòng)汽車的發(fā)展路線需要不同的電池，對(duì)下一代動(dòng)力電池技術(shù)的要求也不同，所以從這樣一個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)談我今天的一些認(rèn)識(shí)。
路線當(dāng)中的燃料電池今天不談了，因?yàn)槿剂想姵噩F(xiàn)在的功率跟不上車的變化，已經(jīng)變成一種增程器，它可以提高能量，但是它不是直接去推動(dòng)電動(dòng)汽車，而且現(xiàn)在是靠補(bǔ)貼在那里發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有進(jìn)入市場(chǎng)化的階段。
10年來(lái)我的主張是，我提了一個(gè)原則，要有安全成熟的電池發(fā)展節(jié)能減排的電動(dòng)汽車，技術(shù)路線兩條，一個(gè)是微小型純電動(dòng)車作為突破口，第二句話是，大眾型車發(fā)展純電驅(qū)動(dòng)的增程式。微小型電動(dòng)車可以用鉛酸電池做低速車，也可以用鋰離子電池做高速車，這個(gè)由市場(chǎng)決定。增程式電動(dòng)車解決了純電動(dòng)車的五大焦慮。它是市場(chǎng)化最為可行的一個(gè)車種。
現(xiàn)在我的主張逐漸被接受了，很不容易，十年了?？萍疾縿偛耪f(shuō)1月份把它列入新“三縱”，國(guó)家發(fā)改委7月，在《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定（征求意見稿）》當(dāng)中，把增程式列入到純電動(dòng)汽車內(nèi)?，F(xiàn)在企業(yè)也在紛紛做小型車或者發(fā)展增程式技術(shù)增程器
第二個(gè)問題，純電動(dòng)汽車路線下的下一代電池。
長(zhǎng)里程的純電動(dòng)汽車有五大焦慮：1，里程焦慮，需要多帶電池，仍然怕斷電，電池多了車子就重，加上夏天空調(diào)嚴(yán)重縮短里程。2，安全焦慮，電池多要求比能量又要高，危險(xiǎn)性大，燃燒爆炸的事故多。3，充電焦慮。充電樁要密，既費(fèi)錢，要地，很難符合要求。4，價(jià)格焦慮，電池用量大了，價(jià)格就高，競(jìng)爭(zhēng)力就低。5，電池焦慮，因?yàn)殡姵氐膲勖逃谡?，第一套電池有補(bǔ)貼，第二、第三套電池就要自己花錢。補(bǔ)貼停了之后，里程越長(zhǎng)，原來(lái)補(bǔ)貼越高的車就越難賣出去。像比亞迪E6 700公斤的電池，下降到30幾萬(wàn)，補(bǔ)貼停止之后賣這個(gè)車就就很困難。目前耗電少、里程有限的微小型車，或者像A0級(jí)甚至于A00級(jí)的車。
要追求長(zhǎng)里程就要用比能量高的電池，這樣就要犧牲安全性。按這些觀點(diǎn)來(lái)看，我們純電動(dòng)車的電池下一代應(yīng)該怎么做，現(xiàn)在三元電池一再提高比能量，這樣的做法對(duì)不對(duì)？
電池組像汽油箱那樣，是一種含高能物質(zhì)的部件。鋰離子電池中的電解液是用易燃的溶劑配置而成。正極氧化劑和負(fù)極還原劑只隔一層微米極厚的隔膜，內(nèi)短路就很容易發(fā)生，內(nèi)短路就要發(fā)生熱量，充放電的時(shí)候電池?zé)嶙枰舶l(fā)生熱量，當(dāng)溫度達(dá)到一定的時(shí)候，正極產(chǎn)品氧化劑就容易與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。今天我們理事長(zhǎng)也講到，現(xiàn)在有一類電池，當(dāng)溫度升高到50度以后，電池放在那里自己就會(huì)溫度不斷升高。所以三元材料應(yīng)該重視，三元材料在一定溫度之下會(huì)分解放出氧，這個(gè)氧不一定是氣體，可能是一種很活潑的初生態(tài)的氧。北大的教授也做了實(shí)驗(yàn)證明有負(fù)一價(jià)的氧產(chǎn)生。大量的化學(xué)反應(yīng)就造成熱失控，電池就會(huì)燃燒甚至爆炸。
正極的氧化劑不同發(fā)生熱失控的溫度不同。這張圖是美國(guó)三家實(shí)驗(yàn)室做的，可以看到，鎳鈷鋁正極大概在200多的時(shí)候發(fā)生溫度的急劇上升，而333三元大概到230度，錳酸鋰正極電池要到250度，磷酸鐵鋰電池溫度升高速度開始比較大，到了一定的時(shí)候升溫速度就會(huì)降下來(lái)。正極材料熱失控溫度越低，電池材料的安全性越差。
特斯拉用三元電池去年年底已經(jīng)燒了十幾輛車，他可以叫“燒車的冠軍”，今年特斯拉又燒了4輛車，就在5月份燒了2輛車，燒死了3個(gè)人、燒傷了1個(gè)人，在美國(guó)2個(gè)人燒死了，在瑞士一個(gè)德國(guó)人燒死了。三元鋰離子電池火勢(shì)蔓延太猛，來(lái)不及逃生，外面的人來(lái)不及救人。三元里例子電池針刺實(shí)驗(yàn)過不了關(guān)，針刺實(shí)驗(yàn)是我們?cè)瓉?lái)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里面的必要實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在把這個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)放在一邊了，而且允許乘用車上敞開使用。我們國(guó)家今年已經(jīng)燒了38輛車，90%以上是乘用車，主要是用的三元。這個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)的是不準(zhǔn)確的，因?yàn)檫@是深圳一家公司給我提供的。現(xiàn)在已經(jīng)形成了以提高比能量為首要指標(biāo)的“慣性思維”。所以鎳鈷錳比例從333、523、622到811，危險(xiǎn)性不斷的在增加?，F(xiàn)在采取許多措施來(lái)提高安全性，成組之后它的比能量并不是很高，比如三元現(xiàn)在成組能夠到160瓦時(shí)的多一點(diǎn)，而磷酸鐵鋰現(xiàn)在有的公司已經(jīng)做到150瓦時(shí)/公斤，單體做到180瓦時(shí)。
不是說(shuō)一定要去追求做三元，大概兩個(gè)多月以前我發(fā)表了一篇文章，要大力發(fā)展磷酸鐵鋰電池，網(wǎng)上轉(zhuǎn)載了，很多人支持，但是也有人反對(duì)，我覺得這個(gè)都很正常，從不同的角度來(lái)探討應(yīng)該怎么發(fā)展電池的問題。今天我這個(gè)觀點(diǎn)也希望大家還可以再討論。
第二個(gè)是，全固態(tài)鋰離子電池。這是針對(duì)鋰離子電池燃燒、爆炸頻發(fā)產(chǎn)生的下一代電池。固態(tài)電解質(zhì)除了自身的電導(dǎo)率之外，最要害的是其與活性物質(zhì)之間的界面電阻隨充放電而增加，這是由于活性物質(zhì)在充放電時(shí)必然的體積漲縮而脫離電解質(zhì)，也是正極材料掉不可避免的，包括負(fù)極材料也有這個(gè)問題。界面的穩(wěn)定性是全固態(tài)電池的一個(gè)最根本的問題，除非將來(lái)能夠做到像橡皮那樣的全固態(tài)電解質(zhì)，它是可以有很大的彈性，隨著活性物質(zhì)的變化而來(lái)變化。
現(xiàn)在研究者降低了調(diào)門，不叫全固態(tài)了，改成“固態(tài)電池”，實(shí)際上是半固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)，還是要加點(diǎn)電解液，比功率、壽命、成本都還有問題，效果如何，拭目以待。
后鋰離子電池，這是日本人提出來(lái)的名稱，叫鋰硫電池，又稱下一代動(dòng)力電池。它的理論比能量高，但是從比能量看也是有片面性的，它有安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉(zhuǎn)換率低、循環(huán)次數(shù)低，這“五低”問題真正解決之后才能用到車上，還要做很大努力。
下一代是鋰空氣電池，比能量達(dá)到700瓦時(shí)/公斤，這樣汽車?yán)锍叹涂梢在s上燃油車了，這個(gè)事情很微妙，但是問題更多，很可能是遠(yuǎn)水解不了遠(yuǎn)渴。也有五個(gè)問題，問題比鋰硫問題更大，要成為動(dòng)力電池更加渺茫。
第三個(gè)問題，增程式路線下的下一代電池。
第一代增程式是純電動(dòng)汽車上面裝了一個(gè)增程器，就是車上發(fā)電在給電池充電。第二代是把電力系統(tǒng)和電池進(jìn)行了優(yōu)化，所以電動(dòng)機(jī)的功率和電池都減半了，車子減輕了。它的優(yōu)點(diǎn)很突出，電池組不會(huì)過充和過放，壽命延長(zhǎng)、安全性高，電池少，補(bǔ)貼退坡取消的影響小，易市場(chǎng)化。城市工況下必然有車節(jié)油50%以上，用戶可以省錢，他可以不充電，免建充電樁，如果有充電條件，節(jié)油率可以在80%以上。燃油車的生產(chǎn)設(shè)施、加油設(shè)施全部可以繼承，便于發(fā)展?，F(xiàn)在我們提出第三代增程式，叫發(fā)電直驅(qū)增程式，就是發(fā)電機(jī)發(fā)的電是不經(jīng)過電池組，直接給電動(dòng)機(jī)，這樣更加節(jié)能，電池更少，電池壽命更長(zhǎng)。
磷酸鐵鋰比能量已經(jīng)很高，磷酸鐵鋰電池可以有高倍率放電，壽命可以達(dá)到萬(wàn)次，價(jià)格在下降，滿足第二代增程式的要求。第三代增程式的電池用量少，為了接受評(píng)測(cè)時(shí)候發(fā)電機(jī)的性能，吸納剎車初始時(shí)的回饋電能，要求下一代電池應(yīng)該具有高倍率的充電能力。
我提出發(fā)展電容性鋰離子電池，就是在正極材料里面要加活性碳。我們觀察到這樣的電池倍率性提高，電池壽命延長(zhǎng)，低溫性能改善，充放電的電壓小100多毫伏，這個(gè)里面沒有加碳的充放電的兩根線的距離比較大，加了碳之后充放電的兩根線的距離就大大縮小。說(shuō)明了電容在里面起了好的作用?；钚蕴砍袚?dān)了大部分電流，使得電池的車輛啟動(dòng)和剎車時(shí)候免于大電流對(duì)磷酸鐵鋰材料的沖擊。
高倍率電池的關(guān)鍵在新材料，富鎳材料主要是不長(zhǎng)枝晶，高比容量，長(zhǎng)壽命，方向是硬碳或硬碳+納米硅，電導(dǎo)率高，中孔率高，密度高，純度高，比表面高，性能比高，相互制約，尋求最佳途徑?？讖揭m用于不同枝晶陰離子的擴(kuò)散和建立雙電層電容。我們?cè)趶埣腋酃狙兄瞥晒Φ淖畹涂讖?nm—100nm任意可控的碳?xì)饽z，可滿足尋求最佳孔徑的標(biāo)準(zhǔn)。
有人說(shuō)增程式車還是要燒油，不是最終目標(biāo)，我要提醒注意兩個(gè)問題，1，如果我們的汽車油耗降到一半以下，年僅有2億噸，環(huán)境改善了，能源安全提高，我國(guó)由汽車大國(guó)向汽車強(qiáng)國(guó)邁向一大步，全國(guó)人民都可以高興。2，純電動(dòng)車未必是最終目標(biāo)，裝電池多、重，車子重、好又多，特斯拉在新加坡受到罰款，所以應(yīng)該考慮全過程的節(jié)能減排，不是在電動(dòng)汽車行駛過程這么一段的節(jié)能減排的問題。
未來(lái)的增程式電動(dòng)車可以不燒油，不增加二氧化碳排放，可以從太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電給電動(dòng)汽車提供能量。同時(shí)秸稈、甜高粱這一類有機(jī)物產(chǎn)生乙醇，再給乙醇的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電提供能量，這樣增程式就全部靠太陽(yáng)能來(lái)發(fā)動(dòng)。
所以增程式不是向純電動(dòng)汽車的過渡，而是未來(lái)汽車的主力。
最后幾句話：1，電動(dòng)汽車必須安全第一，電池的安全性一定要高。2，鋰離子電池的方向和電動(dòng)汽車要同步發(fā)展。所以現(xiàn)在的純電動(dòng)車主要有三元電池，第二代增程式有磷酸鐵鋰，第三代增程式就應(yīng)該發(fā)展電容性磷酸鐵鋰電池。3，電容型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池以碳?xì)饽z和新型硅炭復(fù)合材料為關(guān)鍵材料，是下一代動(dòng)力電池。
（根據(jù)嘉賓現(xiàn)場(chǎng)演講整理，未經(jīng)本人審閱）
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