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专访杨裕生院士:详解三元电池安全问题和下一代动力电池

国际太阳能光伏网  来源:能见Eknower  日期:2018-11-09

过去两年来,三元动力电池因其高能量密度、行驶里程远等特性,在动力电池江湖中傲视群雄,市场份额节节攀升。

今年前9个月,我国三元锂电池累计实现装机16.9GWh,在累计总装机量中的比重已经过半,提升到了58.54%。

但是两个月前,中国工程院院士杨裕生发表了一篇署名文章,旗帜鲜明的反对大力发展三元动力电池,应重视磷酸铁锂电池发展。

此文一出,引发了三元动力电池相关厂商的猛烈回击。对于这些回击,杨裕生表示,欢迎业内进行广泛讨论。

因在我国核相关方面的突出成就,1995年5月,杨裕生当选为中国工程院院士。1998年,他开始研究电池,从1998年至今一直从事高能密度二次电池、超级电容器等研究开发,是中国高能二次电池-锂硫电池的开拓者。

11月8日,作为电池领域的权威专家,杨裕生院士接受了记者的专访,就三元电池安全问题,以及电动汽车发展路线与下一代动力电池进行了详细解答。

1

三元动力电池安全问题暂时无法解决

记者:杨院士,您上次撰写的文章影响非常大,当然许多三元电池相关厂商也进行了回应,他们中一部分人可能认为您的观点并不科学,您如何看待他们的回应?

杨裕生:首先看一个现象,特斯拉采用的是三元电池,但是去年年底已经烧了十几辆车,他可以叫“烧车的冠军”,今年特斯拉又烧了4辆车,就在5月份烧了2辆车,烧死了3个人、烧伤了1个人。今年,我们国家已经烧了38辆车,90%以上是乘用车,主要采用的是三元电池。当然这个统计数据并不太准确,但是总体可以反映一个情况。

三元锂离子电池一旦着火,火势蔓延太猛,来不及逃生。实际上,三元锂离子电池针刺实验过不了关,以前国家标准里面是要求必须进行针刺实验检测的,但是现在已经把这个实验检测放在一边了,而且允许乘用车上敞开使用。

现在已经形成了以提高比能量为首要指标的“惯性思维”。所以镍钴锰比例从333、523、622到811,危险性不断的在增加。三元电池现在采取许多措施来提高安全性,成组之后它的能量比并不是很高,比如三元电池现在成组能够到160Wh/kg的多一点,而磷酸铁锂电池现在有的公司也已经做到150Wh/kg,单体做到180Wh/kg。

记者:质疑您的观点中,有这样一种声音,您说三元电池有危险性,出现车辆自燃现象,但是也有磷酸铁锂电池也发生过燃烧,您如何看待这个观点?

杨裕生:这是本末倒置,磷酸铁锂电池比三元电池安全,是从技术层面来看是这样,但是并不代表磷酸铁锂绝对的安全,也不代表所有的厂家生产出来的质量都非常好。从工艺层面上看,有的磷酸铁锂动力电池制造企业可能不过关,可能也会导致安全问题。

从过去发生燃烧的电动汽车案例来,三元电池的占比是最大的。在同样的条件下,三元电池要比磷酸铁锂电池危险的多。

记者:三元电池安全性差的技术原理是什么?

杨裕生:电池组像汽油箱那样,是一种含高能物质的部件。锂离子电池中的电解液是用有机溶剂配制而成,其易燃的程度不亚于汽油。正极的氧化剂和负极的还原剂只隔一层微米级厚的隔膜,内短路则生热;充放电时,电池内阻也生热。在达到一定温度时,正极上的氧化剂可与电解液发生化学反应。大量的化学反应热会造成热失控,产生大量气体,导致气压升高、电池破裂,继而出现车辆燃烧、爆炸情况。

正极的氧化剂不同,电池发生热失控的温度也不同。使用热失控温度越低的正极材料,电池的安全性越差。特斯拉用的三元锂离子电池,热失控温度不足200℃,尤其是三元材料在达到一定温度时还会分解释放出极活泼的初生态氧,即使在没有外界氧气供应的情况下,这种电池内部就“完整地具备”燃烧三要素。试想,其安全性能高吗?这也是三元锂离子电池起火后,火势蔓延迅速且难以扑灭的原因。

相比之下,磷酸铁锂分子里的氧被牢固地束缚在磷酸根中,很难成为助燃剂,磷酸铁锂电池的热失控温度要高得多,其安全性高得多。

记者:您觉得三元电池安全性差,是从理论上来说根本就无法解决,还是因为目前工艺问题无法解决?

杨裕生:从理论上来说,三元安全性问题是非常难以解决的,起码目前业内水平是无法达到的,想解决三元电池的安全问题,难度是非常大的。

2

补贴一旦取消,三元电池将受到巨大冲击

记者:既然明知安全问题无法解决,为什么还要大力发展三元电池,而且近两年三元电池市场份额提升的非常快?

杨裕生:主要是利益机制,国家的补贴机制鼓励高能量密度,电池厂商为了追逐利益在缺乏科学性的情况下,大力发展三元电池。

记者:他们不担心吗?

杨裕生:我国是没有汽车召回制度的,即便该批次汽车出现问题,比如动力电池安全性问题,目前也没有召回制度,缺乏对厂商的制约和监管。

记者:最近有些媒体报道,明年新能源汽车补贴整体退坡40%,2020年再退坡40%,直至全部退出。这对动力电池格局会有什么样的影响?

杨裕生:补贴一旦取消,对于三元电池的影响非常大,既然没有补贴,汽车厂商肯定愿意采用更为安全的磷酸铁锂电池,而不会去采用风险特别大的三元电池。

3

电容型锂离子电池才是下一代动力电池

记者:有人说固态电池、铝空气电池等是未来的主流,您如何看?

杨裕生:目前业内开始研发全固态锂离子电池。这是针对锂离子电池易燃烧、爆炸产生的下一代电池。固态电解质除了自身的电导率之外,最要害的是其与活性物质之间的界面电阻随充放电而增加,这是由于活性物质在充放电时必然的体积涨缩而脱离电解质,也是正极材料掉不可避免的,包括负极材料也有这个问题。界面的稳定性是全固态电池的一个最根本的问题,除非将来能够做到像橡皮那样的全固态电解质,它是可以有很大的弹性,随着活性物质的变化而来变化。

现在研究者降低了调门,不叫全固态了,改成“固态电池”,实际上是半固态或准固态,还是要加点液体,包括功率、寿命、成本等都还有许多问题没有解决,效果如何,拭目以待。

后锂离子电池,这是日本人提出来的名称,叫锂硫电池,又称下一代动力电池。它的理论比能量高,但是从比能量看也是有片面性的,它安全性低,容易产生锂枝晶,体积比能量低,放电倍率低,能量转换率低,循环次数低,这“五低”问题真正解决之后才能用到车上,还要做很大努力。

下下一代是锂空气电池,比能量达到700Wh/kg,行驶里程都可以赶上燃油车了,但是这个事情很微妙,问题更多,很可能是远水解不了远渴。也有五个问题,问题比锂硫问题更大,要成为动力电池更加渺茫。

记者:您觉得未来哪种技术路线可以胜出?

杨裕生:我提出发展电容型锂离子电池,我认为这将是下一代动力电池。

电容型锂离子电池就是在正极材料里面要加活性炭。这样电池,倍率性能提高,电池寿命延长,低温性能改善,充放电的电压小100多毫伏。这个里面没有加炭的充放电的两根线的距离比较大,加了炭之后充放电的两根线的距离就大大缩小。说明了电容在里面起了好的作用。活性炭承担了大部分电流,使得电池的车辆启动和刹车时候免于大电流对磷酸铁锂材料的冲击。

记者:电容型锂离子电池现在发展的情况怎样?

杨裕生:高倍率电池的关键在新材料,富镍材料主要是不长枝晶,高比容量,长寿命,方向是硬炭或硬炭+纳米硅,电导率高,中孔率高,密度高,纯度高,比表面高,性能比高,相互制约,寻求最佳途径。孔径要适用于不同直径阴离子的扩散和建立双电层电容。目前国内有公司已经研制成功最低孔径5nm—100nm任意可控的碳气凝胶,可满足寻求最佳孔径的标准。

4

增程式电动车已得到国家认可

记者:您如何看待动力电池与电动汽车之间的关系?

杨裕生:只有电池真正的进步,才能推动电动汽车水平的提高,冒进就要吃苦。就是说,电池如果不成熟,实际上是处于一种不稳定状态的电池,如果把它大量的用在汽车上,就要出问题。

电动汽车的主要矛盾是安全和里程的对立。安全性是矛盾的主要方面,里程是次要方面,不可颠倒。认可事物都要分析它的主要矛盾,矛盾当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、次要矛盾搞错了,最后我们就要走弯路。

主要矛盾反映在电池上,是危险性与比能量的矛盾,电池的危险性制约“电动汽车里程随心所欲提高”,我这里讲的随心所欲提高是我们现在每年都在提高要求。瞄准了250公里、300公里、400公里,现在还想冲击500公里,这就是随心所欲。

记者:您之前一直呼吁的增程式可以解决目前行业问题吗?

杨裕生:国家科技部的“三纵”新能源汽车路线最初提出是“纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车”,后来混合动力汽车就改成了插电式电动汽车,后来插电式电动汽车又改成增程式电动汽车,这个变化前后大概10年的时间。今年1月,新的“三纵”中,增程式代替了“插电式”。

10年来我的主张是,要用安全成熟的电池发展节能减排的电动汽车,技术路线有两条,一是微小型纯电动车作为突破口,第二是,大众型车发展纯电驱动的增程式。微小型电动车可以用铅酸电池做低速车,也可以用锂离子电池做高速车,这个由市场决定。增程式电动车解决了纯电动车的五大焦虑。它是市场化最为可行的一个车种。

现在我的主张逐渐被接受了,很不容易,十年了。今年7月,国家发改委在《汽车产业投资管理规定(征求意见稿)》当中,把增程式列入到纯电动汽车内。现在企业也在纷纷做小型车或者发展增程式技术增程器。

记者:增程式技术路线对于动力电池有什么要求?

杨裕生:第一代增程式是纯电动汽车上面装了一个增程器,就是车上发电在给电池充电。第二代是把电力系统和电池进行了优化,所以电动机的功率和电池都减半了,车子减轻了。它的优点很突出,电池组不会过充和过放,寿命延长、安全性高,电池少,补贴退坡取消的影响小,易市场化。城市工况下必燃油车节油50%以上,用户可以省钱,他可以不充电,免建充电桩,如果有充电条件,节油率可以在80%以上。燃油车的生产设施、加油设施全部可以继承,便于发展。现在我们提出第三代增程式,叫发电直驱增程式,就是发电机发的电是不经过电池组,直接给电动机,这样更加节能,电池更少,电池寿命更长。

磷酸铁锂比能量已经很高,磷酸铁锂电池可以有高倍率放电,寿命可以达到万次,价格在下降,满足第二代增程式的要求。第三代增程式的电池用量少,为了接受评测时候发电机的性能,吸纳刹车初始时的回馈电能,要求下一代电池应该具有高倍率的充电能力。而我主张的电容型锂离子电池就可以解决这个问题。

记者:有人说增程式车还是要烧油,不是最终目标,您如何看待这个质疑?

杨裕生:如果我们的汽车油耗降到一半以下,年节油2亿吨,环境改善了,能源安全提高,我国由汽车大国向汽车强国迈向一大步,全国人民都可以高兴。纯电动车未必是最终目标,装电池多、重,车子重、耗电多,所以应该考虑全过程的节能减排,不是在电动汽车行驶过程这么一段的节能减排问题。

未来的增程式电动车可以不烧油,不增加二氧化碳排放,可以从太阳能来发电给电动汽车提供能量。同时秸秆、甜高粱这一类有机物产生乙醇,再给乙醇的发动机发电提供能量,这样增程式就全部靠太阳能、风能来发动。

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