动力电池核心问题剖析

2018年8月18-19日，由电车人学院举办的总裁班“雄鹰计划”（黄埔一期）第2次课电动化专题在北京理工大学举办，邀请中汽中心动力电池领域首席专家、中汽中心试验所副总工程师王芳就动力电池最新进展和几个核心问题探讨进行主题分享，现经过编辑整理分享给行业参考。

中汽中心动力电池领域首席专家、试验所副总工程师王芳

以下为涉及的10个主要方面：

问题1：关于动力电池的产业发展问题

问题2：关于动力电池的技术发展路径

问题3：关于2015~2018年电池系统能量密度、成组率变化趋势

问题4：关于动力电池结构分析，方形、软包和圆柱成组效率

问题5：关于电池系统冷却方式分析，自然冷却、风冷和液冷

问题6：关于动力电池一致性的影响

问题7：关于动力电池起火原因分析

问题8：关于动力电池可用评价

问题9：关于动力电池梯次利用

问题10：关于动力电池发展需重视的两大方面

问题1：关于动力电池的产业发展问题

动力电池产业化进展迅速，两级分化严重，优质产能不足。在国内新能源汽车产销量迅速增长的情况下，电池产业化进展也非常迅速，根据工信部车型数据统计，2015年电池装机量16GWh、2016年28GWh、2017年36GWh，2020年的需求是100GWh左右，但是根据我们粗略估算2017年电池行业的年产能已达到200GWh，远远超过实际需求量。

整体来看，去年年底磷酸铁锂单体能量密度大概在140Wh/kg，现在180Wh/kg左右，甚至到190Wh/kg。三元单体能量密度现在基本上在200Wh/kg左右，去年平均值在185Wh/kg，18650已经达到265Wh/kg以上。

再看市场份额的占比，特别是今年电池行业的变化非常明显：一是两极分化，80%的量集中在20%的企业手里，剩下80%的企业在争夺20%的市场份额；二是优质产能明显不足，各电池厂产能扩展非常快，在未来一年左右的时间内还会有非常大的格局变化，如现在有一些企业已经在逐步退出市场了，目前占市场份额非常大的这几家企业在国内已经是相对优质产能了，但在国际的竞争上又会怎么样？这与他们产品的品质、生产制造的工艺等密切相关。

问题2：动力电池的技术发展路径

电池技术进展，下图是我们做“十二五”规划时的图，到现在为止没有太大的变化，这是因为现有体系正极材料、负极材料有哪些都是确定的，只是不同正负极材料的搭配，能够达到不同的性能指标、能够满足不同车辆的使用。

具体来看，第一块是现有电化学体系，已经比较成熟；第二块是现在正在研发应该往产业化走，但是目前已经提前走到产业化阶段了，原因是什么？就是因为长续航、高比能的要求和补贴政策的引导；第三块是锂硫、锂空气电池是未来的体系。

从2017年底到现在我们认为333和532应该是主流的产品， 622应该是进入中试阶段的产品，811属于小试、研发阶段，再用两年的时间可以进入市场的产品，但是811现在已经提前进入产业化，也就是说我国现在的状态是从532跳过622直接向811发展，造成现在高比能的这类电池没有经过太多的市场验证、可靠性考核和产品迭代的周期就快速应用，把它快速推上了历史舞台，所以这个大家要重视。

未来的电池体系包括锂空气电池、锂硫电池和固态电池，这3类电池中固态电池在电动汽车上的应用会更快一些。到底什么样的电池是全固态？什么样的电池是固液混合态？现在一般高于5到8安时以上的电池基本上都是固液混合的电池，并不是全固态，全固态的电池要想走到完全的产业化还需要好几年的时间。

再看锂空气电池，我们对它的化学特性进行过详细的分析，在使用上它是无限接近于石油，也就是说如果它能用到车上我们就不用再担心车辆的续航里程，但实际上它的寿命及各方面的问题在很长一段时间内是无法解决的，无法满足车辆要求的寿命。

锂硫电池目前已经有一些应用（非车用），但要用到电动汽车上它寿命以及其他的一些问题现在还没有解决，所以锂空气、锂硫电池离产业化的距离还会更遥远一些，比固态电池要遥远得多。

问题3：2015~2018年电池系统能量密度、成组率变化趋势

2015年电池的系统能量密度是90Wh/kg，2017年是116Wh/kg，发展得比较迅速，相对来说还是符合发展规律的，但是到了2018年的4月份已经达到了137.5 Wh/kg。为什么从2017年到2018年会有这么大的变化？由于新补贴政策的出台。

2016年电池系统成组率是63%，2017年是67%，2018年前几个月是74%，这是平均值。具体而言，2017年电池单体能量密度均值在173Wh/kg，系统均值在116Wh/kg，算出来的67%的成组率，这是从单体能量密度到系统能量密度的差异。

细分来看2017年磷酸铁锂单体能量密度均值143 Wh/kg左右，系统在117 Wh/kg左右，成组率在81%；三元单体在183 Wh/kg左右，系统在115Wh/kg左右，成组率在63%。从这里面可以看出，磷酸铁锂和三元单体能量密度差异非常明显，但到系统层面基本趋于一致，这与成组的技术有关，也与电池本身安全要求密切相关。

磷酸铁锂2017年装车量占50%，三元占43%，磷酸铁锂主要应用在客车上，电动客车的安全要求决定了装到客车上的电池基本上只能是磷酸铁锂，三元基本上都是用在乘用车上，一个车型一个电池包，而大巴车的设计现在基本上都是标准箱，不同的车型可以共用标准箱，磷酸铁锂可以装在很多不同的车型上。

为什么它们会有这样的差异？第一，磷酸铁锂本身的安全性很高，它不需要附加太多的安全保护；第二，磷酸大部分用在商用车，标准箱的设计本身要求会比较低（商用车的制造本身就比乘用车要求低），所以在PACK集成方面的要求会低一点；然后还有一个重要的原因，它整体的这种递增趋势还受到相关政策对能量密度要求的影响。

想要提升能量密度有两个办法：第一紧凑化，在单体能量密度已经确定的情况下尽量多塞电池，把里面塞得越紧越好，但是这样会造成高压线束等不能按照理想的状态排布，这是一个隐患；第二轻量化，把电池包做的尽量轻，而这样带来的一个结果是电池外壳使用的材料在抗机械碰撞方面的风险加大，这也要看能不能满足实际使用的需求，如果能够满足那也没有关系。

问题4：三元体系电池结构分析，方形、软包和圆柱成组效率

圆柱单体能量密度均值187 Wh/kg，系统均值在117.6 Wh/kg，成组率62.89%；软包单体能量密度均值171 Wh/kg，系统均值在114.2 Wh/kg，成组率66.78%；方形单体能量密度均值144.17 Wh/kg，系统均值在105.5Wh/kg，成组率73.18%。

圆柱像18650的结构缺陷，排布的时候需要增加冷却系统以及其他结构的这种排布使得它的成组率降低；方形成组率是最高的，最容易成组的；软包，它的一个优点是单体可以做得很高，但是成组需加支架、散热措施等，反而它的成组率可能赶不上方形电池，它们在未来的一段时间内还会是三分天下的状态。

软包在高比能电池方面的安全风险远远低于方形，方形电池的容量还不适宜过高，像高比能的三元电池做到70安时以上都是风险比较大的。一个大的、高容量、高比能的电池在瞬间热量释放的状态下，它的泄压阀如果没有及时打开，即使及时打开力量也是非常大的，相对来说软包在这个方面有它的一些优势。

圆柱电池以前有优势是因为18650是从消费类电子来的，它的生产一致性控制会比较好，但在系统集成的时候对系统集成技术的要求是非常之高的，看特斯拉的专利就知道了，其实现在方形和软包生产工艺控制上升的程度已经赶超了圆柱，圆柱单体的优势并不是那么明显了，相反它在结构集成方面的缺点会逐渐暴露出来，比如特斯拉最近的几起事故基本都是车辆毁掉了，可以看到一旦发生机械破坏，它的那种结构的破坏是崩盘式的，虽然18650电池单个的能量并不是那么大，但是当能量密度足够高的时候，瞬间火势的串起导致了整个崩盘式的起火，事故也是比较危险的。

问题5：电池系统冷却方式分析，自然冷却、风冷和液冷

我们统计了2017年下半年某时间段的样本，当时96款电池中有86款是自然冷却，就像刚才讲的那样要想提升系统的能量密度有两个办法：一是紧凑化，二是轻量化，紧凑化的一个重要方式就是把能减掉的就减掉。自然冷却是什么？就是什么也没有，能够不考虑风冷、液冷，把空间都留给电池，这也导致使用自然冷却的越来越多。

以前不是这样的状态，在2015、2016年，特别是2016年下半年我们与很多车厂交流，他们的样品设计很多是打算采用液冷的，在乘用车基本上都计划采用液冷方案，但是到2016年底2017年补贴政策出台的时候，这个状态就开始改变了，2017年上半年液冷已经明显减少。

这几年政策推动对整个产业的发展是非常有利的，但是在发展的过程中毕竟会有一些问题存在，而这些问题是会暴露在我们实际的产品和产业当中的。

我们比较过不同冷却方式下电池的状态：当电池采用风冷设计，电池整体温度的下降是很明显的，比如电池原来会升高15度，采用风冷后温升在13度，但是从进风口到出风口整个电池包内部不同位置的温度差异会明显增大，这会导致电池单体的差异变大，电池包的劣化会加剧，也就是说如果电池风冷设计技术不过关、对电池热状态、对风道流体力学等不了解，还不如直接采用自然冷却。再看液冷，当液冷排布得比较好的时候，电池单体和整体的温度控制都比较好。

产业未来的发展还是会以市场为导向，企业需要重视系统集成、系统热管理、功能安全管理等技术，这才能是未来企业的核心竞争力。

问题6：动力电池一致性，电芯的一致性影响电动汽车续航里程的功率特性、放电能量特性、电池总寿命以及成本等

电池的一致性影响的不单单是它的性能，还有整体的安全性以及成本。电池的一致性好了，整体成本就会下来，会表现在哪几个方面？第一你不用换，第二生产制造的成本摊薄。为什么LG和三星前两年能打价格战，现在他们还能打价格战，这与他们生产制造工艺水平是有关系的。

电池单体的能量密度国内是可以做的比较高的，这是单一指标，但是再看我们产品的一致性表现，就可以知道它能不能在市场上形成强有力的竞争能力。据我了解，目前国内CPK值最高的企业是以1.67为天花板的，而三星、LG他们的CPK值是以1.67为基础的，甚至能达到2.0，也就意味着100万只电池里面几乎没有次品，所有电池性能是完全一致的，差异是非常非常小的。再看我们1.33的CPK值，电池是这个状态，而且这已经是经过筛选的，不合格的电池已经挑选出来了，如此情况下我们的成本怎么跟他们去比较？他们的CPK值是2.0，没有最后的分选，电池在制造以后直接就去配组，我们还得花钱买分选的装备，先把电池选出来。所以这个是非常非常重要的，我们要重视真正的企业核心竞争力。

注：CPK,过程能力指数,表示过程能力满足技术标准的程度,值越大表示品质越佳。

问题7：动力电池起火原因分析

总结分析一下不完全统计的国内外电动汽车起火事故，看一下起火的原因。

事故的原因主要有充电起火，占到17%；碰撞起火，占到22%；无事故自燃，占到39%，这部分主要是指从电池部位先开始起火的事故；其他原因占到18%，主要包括电气线路故障、电线老化、零部件故障等原因引发的起火，不是电池本身的原因；最后还有浸水起火，占到4%。

问题8：动力电池可用评价

我们在做电池安全性评价的时候更多的会从三个角度来考虑：电池的可用边界、可控边界和失控边界，这三个边界在电池全生命周期内是变化的，电池是一个电化学载体，所以我们在评价的时候，希望能够考虑到这几个方面。

可用评价就是我们会从材料的热稳定性出发，对电池的安全等级要有一个明确的划分，知道它的薄弱点是什么、优势是什么，然后要从系统的层级把它的薄弱点给保护起来，最终我们在系统层级才能得到一个比较好的电池，电池本身是分三六九等，我们要通过系统工程把它用在最好的状态。

问题9：动力电池梯次利用是伪命题吗？

有人认为梯次利用是一个伪命题，我们在2012到2014年做过一个国家电网的课题，做了一个梯次利用的示范，当时用奇瑞S18淘汰下来的电池做了一个储能电站，做完以后我们也承认它接近一个伪命题，就是很难做、非常非常难做，电池的这种评价，拆下来、再成组、再利用，在性价比方面不合适，经济效益也不划算。

但是到2014年底我们在制定编码制度，在推进梯次利用的时候，经过详细的讨论认为还是应该要做，但是需要重新定位：电池回收必定是一个正向的而且是会推得非常快的一个课题，电池梯次利用是属于有条件、有范围、有要求的梯次利用，就是梯次利用一定是在特定条件下。比如都是大巴车，对这批电池有监控，有后期的评估处理，对电池的健康状态能够充分掌握，又有对接的梯次利用场景且对这个应用场景的指标体系是非常明确的，把这场景的指标也列入到电池的评价体系里面，随时都知道车上的电池拆下来可以用在哪一个领域而且这个领域也已经对接好了，然后再做梯次利用，这就是在有条件、有范围、有要求的情况下去做。

问题10：动力电池发展需重视的两大方面

技术层面

（1）以安全为第一要素，重视性能与安全的最佳平衡；

（2）应进一步提升动力电池系统集成水平。

产业层面

（1）应该重视生产和使用过程中的一致性；

（2）应进一步提升优质产能；

（3）应重视电池的循环利用和产业的协同发展。