1、车用动力电池技术路线图介绍动力电池技术路线图编制组（肖成伟 研究员）2016年12月07日 厦门内容1. 研究背景研究背景2. 发展现状及需求分析发展现状及需求分析3. 技术路线图技术路线图4. 技术创新需求技术创新需求 一、研究背景新能源汽车国际现状目前在国际上，混合动力汽车已实现商业化，插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车处于应用示范阶段。传统汽车呈下行趋势国际能源署预测数据新能源汽车发展迅速预计2020年以后：插电式混合动力汽车、纯电动汽车将快速增长，步入应用普及的发展阶段，2030年后燃料电池汽车市场将大幅度提升。一、研究背景新能源汽车国内现状我国节能与新能源汽车已形成了较为完
2、善的研发体系和产业体系，研制了系列产品，新能源汽车推广应用示范数量居世界前列。面向未来，我国节能与新能源汽车将继续保持与国际先进水平接轨，以大规模商业化普及应用为目标，加快提升技术水平，加速产业发展，预计2020年我国新能源汽车市场保有量将达到500万辆，生产产能将达到200万辆，2025年将生产产能将达到300万辆。国际能源署对世界各国新能源汽车销量预测国际能源署对世界各国新能源汽车销量预测101001001000100010000能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg)目前混合动力轿车规模使用-丰田系锂离子镍氢酸铅启停功能轿车-国内外低速车规模使用-中国广泛应用于HEV、PHEV、EV及
3、FCV一、研究背景动力电池的作用动力电池作为能量储存装置，是电动汽车的核心部件。其性能的优劣直接影响电动汽车的市场应用和普通消费者的接受度，如安全性、能量密度、功率密度、寿命以及成本等。一、研究背景国家规划（德美韩日）韩国日本美国德国一、研究背景国家规划（我国）2020年：l 电池模块的质量密度达到300瓦时/公斤以上；l 成本降至1.5元/瓦时以下。l 产业化的锂离子电池能量密度达到300 Wh/kg以上，成本降至0.8元/Wh以下；l 新型锂离子电池能量密度达到400 Wh/kg以上，新体系电池能量密度达到500 Wh/kg以上。 l 2020年：电池能量密度达到300Wh/kg；l 20
4、25年：电池能量密度达到400Wh/kg；l 2030年：电池能量密度达到500Wh/kg。节能与新能源汽车国家规划（20122020）中国制造2025“十三五” 计划-新能源汽车重点研发专项（20162020）一、研究背景企业规划（韩国）LGLG化学化学三星三星SDISDISKSK公司公司AESCAESC配套车辆聆风二代聆风SOP时间20102018正极材料LMO-NCANCM523负极材料石墨石墨容量（Ah）32.556电压（V）3.753.7体积能量密度（Wh/L）274.0380.2质量能量密度（Wh/kg）154.9222.9索尼索尼一、研究背景企业规划（日本）日立车载能源公司（日立
5、车载能源公司（HVE)HVE)一、研究背景企业规划（中国）CATLCATL力神力神内容1. 研究背景研究背景2. 发展现状及需求分析发展现状及需求分析3. 技术路线图技术路线图4. 技术创新需求技术创新需求 目前世界范围内动力电池的研发和产业化主要集中在三个区域，分别位于德国、美国和中日韩所在的东亚地区。锂离子动力电池的生产目前也主要集中在中日韩三个国家。二、发展现状及需求分析研发和产业化分布20%20%24%13%20%3%世界范围内动力电池的研发和产业世界范围内动力电池的研发和产业化分布化分布德国美国日本韩国中国其他从技术与产业的角度综合来看：日本在技术方面依旧领先；韩国在市场份额方面超越
6、日本，占据第一位；中国的电池企业数量最多，产能最大。二、发展现状及需求分析变化趋势我国动力电池技术路线的变化趋势（2001-2015） 总产能：居世界首位（超过400亿瓦时的年产能）； 形成了珠江三角洲、长江三角洲、中原地区和京津区域为主的四大动力电池产业化聚集区域； 超过100家动力电池企业开展动力电池及电池系统的研发及产业化工作； 超过1000亿产业资金的投入，技术研发及产业化进展显著。二、发展现状及需求分析技术现状国外产品国内产品三元三元材料材料/ /石墨材料锂离子电池（量产）石墨材料锂离子电池（量产） 关键材料：实现了国产化； 单体电池技术水平：与国外同一水平； 已形成了较为完善的锂离
7、子动力电池产业链体系，掌握了动力电池的配方设计、结构设计和制造工艺技术，生产线逐步从半自动中试向全自动大规模制造过渡； 产品均匀一致性、系统集成技术、生产自动化程度：尚有差距。二、发展现状及需求分析新能源汽车发展趋势普及应用节能与新能源汽车的关键是要实现其经济性与使用的便利性与传统燃油汽车相当。当前，混合动力汽车具备经济性和使用便利性，我国商用大客车已基本实现商业化。插电式混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车与传统燃油汽车存在较大差距，提升经济性和使用便利性是未来相当长一段时间内新能源汽车发展的主要方向。国际上，预计2020年前后新能源汽车经济性和使用便利性将大幅度提升，纯电动汽车续航里程将达
8、到400公里，2030年达到500公里。福特汽车福特汽车：新车的续航里程将达到320公里，年内（11月）推出。雷诺日产雷诺日产：将在2020年之前将纯电动汽车(EV)的续航距离提高到400公里以上，20152015年年1 1月月20152015年年3 3月月20152015年年6 6月月20152015年年9 9月月20142014年年7 7月月奥迪奥迪：发布全新Q6e-tron quattro概念车，续航里程500km，2020年上市。通用汽车通用汽车：雪佛兰Bolt，行驶里程200英里（约322公里），33.5万美元，2017年上市。大众汽车大众汽车：研发一款超级电池，纯电动续航里程有望达
9、到300公里，2020年提升至500km。TeslaTesla汽车汽车：Model 3，续航里程320公里，3.5万美元，2016年3月发布，2017年实现量产。20152015年年5 5月月20152015年年9 9月月二、发展现状及需求分析动力电池是关键提升新能源汽车的经济性，需降低成本新能源汽车因全部或部分采用电力驱动，与传统燃油汽车相比较，能够减少燃料消耗，目前新能源汽车在全生命周期内燃料消耗节省的费用尚不能抵消所增加的成本。动力电池是关键动力电池是关键对于插电式混合动力汽车，电池系统成本需要降低至1.5元/Wh。若纯电动汽车续航里程达到400公里，动力电池系统比能量需要提升至250W
10、h/kg左右。增加纯电驱动行驶的续航里程为增加续航里程，必须增加搭载动力电池系统存储的能量。在不显著增加新能汽车重量和体积的前提下，必须提高动力电池的比能量和能量密度。二、发展现状及需求分析动力电池的发展与需求高性能、低成本的新型锂离子电池和新体系电池是新能源汽车动力电池发展的主要方向。n未来相当长一段时期内，我国节能与新能源汽车将以普及应用插电式混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车为主要任务，迫切期待动力电池降低成本、提高性能。n研发新型锂离子电池和新体系电池、提升动力电池智能制造水平、完善验证测试方法和标准体系，既是我国节能与新能源汽车的发展需求，也是我国动力电池发展的关键任务，具有紧迫性
11、。新型锂离子电池：采用高电压/高容量正极材料、高容量负极材料和高压电解液替代现有锂离子电池材料，电池成本、比能量和能量密度具有明显的优势，将能够大幅度提升新能源汽车经济性和使用的便利性，需要解决耐久性、环境适应性和安全性等关键问题。新体系电池：包括锂硫电池、锂空气电池、全固态电池等，预计具有更低成本和更高的比能量，尚处于基础研究的发展阶段。预计2020年新型锂离子电池将实现商业化，2030年新体系电池实用化。二、发展现状及需求分析动力电池的发展目标2025年2030年 2020年技术提升阶段。新型锂离子电池实现产业化。能量型锂离子电池单体比能量达到350Wh/kg，能量功率兼顾型动力电池单体比
12、能量达到200Wh/kg。动力电池实现智能化制造，产品性能、质量大幅度提升，成本显著降低，纯电动汽车的经济性与传统汽油车基本相当，插电式混合动力汽车步入普及应用阶段。产业发展阶段。新体系电池技术取得显著进展。动力电池产业发展与国际先进水平接轨，形成2-3家具有较强国际竞争力的大型动力电池公司，国际市场占有率达到30%。固态电池、锂硫电池、金属空气电池等新体系电池技术不断取得突破，比能量达到400Wh/kg以上。产业成熟阶段。新体系电池实现实用化，电池单体比能量达到500Wh/kg以上，成本进一步下降；动力电池技术及产业发展处于国际领先水平。我国动力电池发展大致分为三个阶段，目标如下：内容1.
13、研究背景研究背景2. 发展现状及需求分析发展现状及需求分析3. 技术路线图技术路线图4. 技术创新需求技术创新需求 车用动力电池技术路线图EV电池2020202520302025年达到：比能量：单体400Wh/kg，系统300 Wh/kg；能量密度：单体800Wh/L，系统500 Wh/L；比功率：单体1000W/kg，系统700 W/kg；寿命：单体4500次/12年，系统3500次/12年；成本：单体0.5元/Wh，系统0.9元/Wh 2030年达到：比能量：单体500Wh/kg，系统350Wh/kg；能量密度：单体1000Wh/L，系统700 Wh/L；比功率：单体1000W/kg，系统
14、700 W/kg寿命：单体5000次/15年，系统4000次/15年；成本：单体0.4元/Wh，系统0.8元/Wh2020年达到：比能量：单体350Wh/kg，系统250 Wh/kg；能量密度：单体650Wh/L，系统320 Wh/L；比功率：单体1000W/kg，系统700 W/kg；寿命：单体4000次/10年，系统3000次/10年；成本：单体0.6元/Wh，系统1.0元/Wh基于现有高容量材料体系、优化电极结构、提高活性物质负载量应用新型材料体系、提高电池工作电压优化新型材料体系、使用新型电池结构优化设计、提升制造水平新材料应用、新制造工艺和装备新型材料体系、新型制造工艺路线比能量的提
15、升：寿命的提升：安全性的提升：成本的控制：能量型锂离子电池新体系电池引入固态电解质、优化固液界面开发长寿命正、负极材料、提升电解液纯度并开发添加剂、优化电极设计、优化生产工艺与环境控制采用电极界面沉积、开发新体系锂盐、优化生产工艺与环境控制固、液电解质结合技术、新型材料体系新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计备注：电池寿命为全寿命周期要求。车用动力电池技术路线图PHEV电池2020202520302025年达到：比能量：单体250 Wh/kg，系统150 Wh/kg；能量密度：单体500Wh/L，系统300 Wh/L；比功率：单体15
16、00W/kg，系统1000 W/kg；寿命：系统4000次/12年；成本：单体0.9元/Wh ，系统1.3元/Wh2030年达到：比能量：单体300 Wh/kg，系统180Wh/kg；能量密度：单体600 Wh/L，系统350 Wh/L；比功率：单体1500 W/kg，系统1000 W/kg；寿命：系统5000次/15年；成本： 单体0.8元/Wh，系统1.1元/Wh2020年达到：比能量：单体200Wh/kg，系统120 Wh/kg；能量密度：单体400Wh/L，系统240 Wh/L；比功率：单体1500W/kg，系统900 W/kg；寿命：系统3000次/10年；成本：单体1.0元/Wh，
17、系统1.5元/Wh基于现有高容量材料体系提升材料的功率性能、优化电极设计基于现有高容量材料体系提升材料的功率性能、优化电极设计优化新型材料体系、使用新型电池结构开发长寿命正、负极材料、提升电解液纯度并开发添加剂、优化电极设计、优化生产工艺与环境控制开发长寿命正、负极材料、提升电解液纯度并开发添加剂、优化电极设计、优化生产工引入固态电解质、优化固液界面新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计新型隔膜、新型电解液、电极安全涂层、优化电池设计固、液电解质结合技术、新型材料体系优化设计、提升制造水平优化设计、提升制造水平新型材料体系、新型制造工艺路线比能量和比功率的提升：寿命的提升：安全性的提
18、升：成本的控制：备注：电池寿命为全寿命周期要求。三、技术路线图关键材料（正极）重点发展材料实现目标差距分析实现路径高镍材料高镍材料预计2020年比容量将突破215mAh/g，2025年将突破225mAh/g。国内仅少数厂家初步具备高镍材料生产能力，但产品性能和稳定性仍需进一步提高，关键设备的技术水平和可靠性与国外差距较大。研究包覆元素种类、包覆量对材料表面残余碱含量及电化学性能的影响，确定有利于降低残余碱含量，提高材料电化学性能的最佳包覆参数组合。提高关键设备如氧气气氛焙烧设备的技术水平和可靠性。高电压材料高电压材料通过提高电池充电截止电压是提升锂离子电池能量密度最为直接有效的手段和方法，高电
19、压材料需要大幅提升热安全性能和循环稳定性能国内的生产线水平、品质控制水平仍存在较大差距。对原材料逐批进行检验，对全工艺流程的各项工艺参数进行有针对性的管控，实现生产过程的智能化富锂氧化物富锂氧化物固溶体材料固溶体材料通过产品改性的手段在保持高容量的前提下，提高高电压使用条件下的循环性能。富锂氧化物固溶体材料的电压衰减快，倍率性能差，循环稳定性差等限制了其广泛应用。通过对层状富锂氧化物固溶体材料表面进行多种金属协同包覆，隔绝电解液对材料表面结构的侵蚀；通过对材料进行体相的高价金属掺杂，提高材料首次充放电效率，减少副反应的发生。其他新型材料其他新型材料磷酸锰铁锂型：目前材料倍率性能差，循环性能有待
20、提高等因素制约了该类材料的进一步发展和应用。尖晶体镍锰：因其高电压和低成本以及富锂氧化物固溶体材料因其具有较高的克容量和较宽的电化学窗口，亦在开发和使用中，目前的重点是提升其高温循环性能。202020252030锰酸锂： 115 mAh/g 磷酸铁锂：165 mAh/g三元材料： 210mAh/g高电压镍锰酸锂： 135mAh/g富锂氧化物固溶体材料：300 mAh/g锰酸锂： 115 mAh/g 磷酸铁锂： 165 mAh/g三元材料： 220 mAh/g 高电压镍锰酸锂：140 mAh/g富锂氧化物固溶体材料：300mAh/g其他新型材料: 350 mAh/g锰酸锂： 110mAh/g 磷
21、酸铁锂： 165mAh/g三元材料： 200mAh/g 高电压镍锰酸锂： 130mAh/g富锂氧化物固溶体材料：280 mAh/g通过提高镍含量，提高其比容量，通过掺杂、包覆和表面处理等技术手段，提高循环性能提高电池工作电压，提升热安全性能和循环稳定性能通过产品改性提高高电压使用条件下的循环性能三、技术路线图关键材料（正极）正极材料技术路线图：性能提升：三、技术路线图关键材料（负极）重点发展材料实现目标差距分析实现路径石墨石墨材料材料进一步提升逆容量和压实密度，并降低成本。我国石墨类材料的性能/价格比方面已经较日本的日立化成、三菱化学、日本碳素、JFE、昭和电工等具有优势，石墨负极的供应主要是
22、中国企业，日本企业在材料改性方法和品质控制方面各具特色。通过表面包覆等技术提高材料加工性能和电化学性能，加强生产过程中材料的一致性和稳定性控制能力。无定型碳材料无定型碳材料通过包覆和掺杂等方法提高首次效率，并优化生产工艺逐渐降低成本；软碳发展趋势主要采用掺杂、修饰等改性处理提高其比容量和首次效率。从产品理化参数等指标看，国内企业同国外先进企业相比，产品的性能相当。材料主要缺陷需要改善，关键工艺技术如表面改性、材料结构调整等需要攻克。对硬碳和软碳进行包覆和掺杂，有效提高其首次效率。提高前躯体制备装置、烧结设备等的技术水平和可靠性。硅碳材料硅碳材料在保持高比容量的前提下进一步提高库伦效率、循环性能
23、，并逐步降低成本。目前国内外不少负极材料生产企业均已开始布局硅碳负极的开发与商业化，但大部分处于研究阶段和小规模批量化生产阶段。主要在于关键工艺技术如纳米化技术、材料结构构筑等需要进一步提高。采用工业化硅基原料，进行纳米化，同时保证纳米材料在硅碳复合过程的分散性好，防止团聚。采用表面改性处理，控制材料的表面效应，保持材料高比容量并提高其循环性能和稳定性。设计合理的硅碳材料结构，尤其是硅碳结合方式，将碳材料的循环稳定性，骨架支撑作用发挥好，合理分散纳米硅，利用好硅的高容量，同时引入无定型碳层来缓冲硅膨胀。202020252030石墨材料：360mAh/g无定型碳材料：350 mAh/g，首周库伦
24、效率85%硅碳材料：1000mAh/g，寿命2000次石墨材料：360 mAh/g无定型碳材料：400 mAh/g，首周库伦效率85%硅碳材料：1200mAh/g，寿命2000次石墨材料：360 mAh/g无定型碳材料：280 mAh/g，首次库伦效率80%硅碳材料：800mAh/g，寿命2000次通过包覆和掺杂等方法改进无定型碳和硅碳基材料，优化生产工艺.提高容量、库伦效率和循环性能，并逐步降低成本进一步提高容量、库伦效率和循环性能，降低成本三、技术路线图关键材料（负极）负极材料技术路线图：性能提升：三、技术路线图关键材料（隔膜）隔膜材料技术路线图：三、技术路线图关键材料（电解液）电解液材料
25、技术路线图：2020202520302025年达到：溶剂：使用部分氟化溶剂与少量离子液体；锂盐：复合锂盐；添加剂：多功能添加剂。主要性能：电化学窗口5V，电导率 10-2S/m，可燃性降低，安全性提高。 2030年达到：高性能有机液体电解液；全固态无机固体电解质；固体聚合物电解质。主要性能：电化学窗口6V，电导率10-2S/m，无安全隐患，长寿命。2020年达到：溶剂：EC基混合溶剂；锂盐：单一锂盐（LiPF6）为主；添加剂：VC/FEC。主要性能：电化学窗口300wh/kg）的基础和中长期发展方向。开发新型高能量密度锂离子动力电池关键正负极材料（高镍三元、富锂锰基固溶体，硅碳复合材料）制备技
26、术；提升国家动力电池关键材料的工程化制备技术。重点开展高比容量纳米硅/碳复合材料，固溶体材料和高镍三元工程化装备和制备技术及其应用性能的研究工作。材料性能满足350wh/kg及以上动力电池的应用要求。建成年产1000吨的高比容量硅基负极材料生产试验线；建成年产1000吨的正极材料生产线。行业联合动 力 电 池产 业 化 技术研究开发350wh/kg动力电池技术，提升电池安全性及循环寿命，使之支持电动车行驶里程达到传统汽油车水平，且降低电池成本，使电动车经济性优于传统汽油车；使我国动力电池技术达到国际先进水平。至2020年，350Wh/kg动力电池产业技术创新能力与国际水平相当，产业规模与我国新
27、能源汽车发展相适配。至2025年，400Wh/kg产品技术经济性、产品质量，以及全产业链创新能力与国际先进水平相当，国内自主化率80%，国际市场占有率超过30%。350Wh/kg动力电池安 全 技 术 开 发 ； 350Wh/kg动力电池长寿命研究；结合电池产业状况，以降低电池成本为目的，进行电池零部件国产化开发。350Wh/kg 动力电池产业化示范基地，实现规模化应用。企业领跑四、技术创新需求行业共性技术平台项目名称项目名称必要性必要性项目目标项目目标研究内容研究内容预期成果预期成果实施实施方式方式储能材料及动力电池测试评价技术平台我国尚缺乏动力电池及关键材料系统性产品设计、设计验证、试验检
28、测等方面研发能力，尚没有建立系统性行业规范、技术要求、检测试验方法，设计验证能力、试验检测能力、产品规范/标准的研究能力、产品标定能力亟待提升。采用现代检测、分析方法和模型、软件工具，建立电池关键材料原位高效定量的性能表征方法及合成、表征方法的研究平台以及动力电池电性能能、耐久性、环境适应性、安全性的技术评价、设计验证、功能验证能力，大幅度降低产品质量风险和事故风险。开展新型关键材料和动力电池的评估技术及方法研究，建立电池材料脱嵌锂离子机理的研究方法、动力电池性能衰退机理的研究方法、动力电池安全性的评价方法等。 1）通过建立测试平台获得关键材料、动力电池及系统的大量测试数据，形成数据库；2）有
29、机整合各种材料相关信息，实现跨尺度、跨领域、跨学科材料信息共享与挖掘，与计算材料设计结合，建立“关键材料基因库”，加速先进材料的开发和推广，降低材料研发成本；3）建立新型关键材料、动力电池测试和评价方法。国家主导动力电池标准化技术研究平台我国动力电池标准体系尚需建立系统性行业产品技术要求、产品规范/标准、检测标准的研究能力，以促进产业规范性和高效低成本的发展。2020年：建立动力电池尺寸、电池模块设计标准体系，降低产品开发和设计成本；2025年：建立电池及模块开发设计和产品（功能性、耐久性、耐环境性和安全性等）评价标准体系，系统性提升产品性能评价标准。1）动力电池及电池系统产品尺寸标准以及动力
30、电池设计规范的研究；2）电池模块空间设计规范/标准的研究。1）建立动力电池尺寸设计标准；2）建立电池装配设计标准；3）建立动力电池标准化研究平台。国家主导动力电池数字化工厂技术研究高安全、低成本的动力电池对电池的制备精度和制备效率提出了更高的要求，优秀的数字化工厂技术是实现高安全、低成本的的必由之路。匀浆浆料变异系数0.06%；极片制备，涂布速度100m/s，厚度精度0.07%；电池组装实现一体自动化。动力电池的规格尺寸标准化研究；搞精度、高速度、高可靠性涂布、辊压、组装技术研究；数字化、可视化、信息化操作、检测手段的研究。数字化程度90%；制造合格率96%；材料利用率95%。企业领跑正极材料
31、负极材料隔膜材料电解质盐单体能量密度（Wh/kg）实现的可能性磷酸铁锂 石墨 PP为主，部分采用涂层膜六氟磷酸锂，功能性添加剂110-155已实现商业化，持续应用（EV、PHEV及储能等）锰酸锂为主，混合镍钴锰或镍钴铝石墨 PP和PE均有采用，部分采用涂层膜六氟磷酸锂，功能性添加剂120-160已实现商业化，持续应用（EV、PHEV及储能等）镍钴锰（333或532型）石墨 PE为主，部分采用涂层膜六氟磷酸锂，功能性添加剂160-200大容量电池实现小批量应用，小容量电池（如1865）实现了规模化应用镍钴锰（333或532型）钛酸锂或石墨混合软碳PP和PVDF六氟磷酸锂，功能性添加剂80-140
32、已实现商业化（主要为快充领域），持续应用（EV、PHEV及储能等）镍钴锰（622或811型）或镍钴铝石墨PE为主，薄型化和涂层改性六氟磷酸锂，功能性添加剂200-250大容量高能量密度开发过程中，小容量或较低能量密度实现了规模化应用（如1865等）镍钴锰（622或811型）或镍钴铝石墨/硅碳PE为主，薄型化和涂层改性 六氟磷酸锂，功能性添加剂250-300开发过程中，是研发和产业化重点和热点5V锰酸锂石墨PE为主，薄型化和涂层改性 六氟磷酸锂，功能性添加剂200-240开发过程中富锂层状锰酸锂石墨PE为主，薄型化和涂层改性六氟磷酸锂，功能性添加剂220-280开发过程中富锂层状锰酸锂硅碳PE为主，薄型化和涂层改性六氟磷酸锂，功能性添加剂280-400开发过程中中短期可实现产业化的电池体系（至中短期可实现产业化的电池体系（至20202020年）年） 谢谢大家！
