动力电池技术创新活跃,热安全解决途径走在世界前列

“（如果说有动力电池）能跑1000公里，又能几分钟充完电，而且还特别安全、成本还非常低，大家不用相信，因为这在目前是不可能同时达到的。”

中国科学院院士欧阳明高在中国电动汽车百人会论坛（2021）云论坛上说道。 在欧阳明高看来，近些年动力电池材料领域创新并没有大幅提升，电池企业的创新主要集中的结构层面，当然在改善低温性能及热失控方面也有诸多新技术。 燃料电池近年来也取得了产业化突破，未来10年左右燃料电池系统成本有望下降80％。 储能方面，电池是中小功率短周期，大规模长周期要靠氢。 此外，欧阳明高还指出，商业目的运营车辆适合换电，私人乘用车长期来看，还会以充电为主。

1 动力电池技术创新活跃

在欧阳明高看来，近年来，由于安全问题的限制，三元电池比能量没有大幅增长。因此，行业转向电池结构创新。

（1）动力电池结构创新

电池结构从355模组和590模组，进一步到宁德时代的 CTP（无模组）、比亚迪的刀片电池，以及近期国轩高科JTM（Jellyroll To Module，即从卷芯到模组）其系统比能量和体积存储效率都有明显提升，使得原先磷酸铁锂电池难以应用到轿车上的问题基本得到解决，甚至可以做到600公里。

欧阳明高认为，进一步发展，可能还有电池包直接在车辆上（刀片电池）或者单体直接到车辆上，都有待进一步研究，创新潜力还比较大。

（2）改善低温续航创新多

电芯在低温下的性能明显下降，同时制热比制冷能耗更大、动力系统效率降低、soc精度下降等问题，导致电动汽车用户在冬季用车体验明显变差。

为了解决电动汽车低温带来的负面问题，企业做了一系列技术优化，包括电池热管理系统的能效优化、改善热泵空调低温下的效能、电池热管理系统的能效优化，包括 PTC加热、热泵空调、电机激励加热等。

电池热管理系统的能效优化方面，欧阳明高认为，目前PTC加热需要进一步改进，云端控制提前预热。

热泵空调在低温下的效能方面，欧阳明高也认为需要进一步增强，例如通过补气增焓，提升低温效能。

电机激励加热方面是一个很好的方案，但欧阳明高认为其噪声较大，加热速率每分钟3°C度也不算高。“现在有改进技术，可以使得加热速度提高到每分钟8°C。”

第三个是充电场景下电池的插枪保温和脉冲加热。欧阳明高解释道，目前大家回家充电才插枪，充完电就拔掉，但是后续为了有序充电，插枪并不一定充电，是到后半夜才充电。

另外还有车与电网互动（V2G），往电网回馈电，就是反向充电，这些都要求充电桩一直跟车保持相连，这就为插枪保温带来方便，也就出车之前提前半小时用电网电对车加热。

此外具备双向充电功能的快充桩，可以对电池进行脉冲加热。这方面技术创新是活跃，低温续航缩水问题会逐步得到缓解。

（3）热安全解决途径走在世界前列

在欧阳明高看来，动力电池的热安全问题虽然还没有彻底解决，但是在一定程度上得到抑制。总体看，中国动力电池安全问题研究早，相关科学和技术是走在世界前列。

动力电池安全主要分为三个层面：本征安全、被动安全和主动安全。

所谓本征安全就从单体电池的热失控机理着手，从材料层设计和制造的角度加以解决。

所谓被动安全在某一个单体电池热失控之后，用系统热管理的办法，也就是隔热和散热的办法，让电池包不燃烧。

“现在法规要求是5分钟不起火，将来会提升到半小时，现在中国已经领先企业发布了不燃烧的电池包，这也是我们重要技术进展。”

欧阳明高提到，主动安全中智能管理与充电控制也很重要，例如利用云平台、大数据进行提前预警，这是整车企业必须要练就的核心技术，“目前领先的厂家，已经完全可以做到，现在正在推广普及中。”

欧阳明高特别指出，不要指望换一种新电池后所有的安全就彻底解决，安全都是相对的，都是由安全技术保障的。

2 燃料电池获得产业化突破

（1）功率密度、冷启动温度、寿命等都大幅改善

近年来，燃料电池技术取得重大突破。例如，现在的性能跟5年前相比，寿命提升了300％。国产燃料电池零部件的产业链已经建立，系统集成能力大幅增强，头部企业正在形成。

（2）十年内燃料电池系统成本下降80％以上

下一步的工作重点，是要在10年内，将燃料电池系统的成本下降80％以上。路径类似于锂离子电池，整体滞后10年。

欧阳明高指出，目标是将燃料电池系统成本从2020年的5000元／千瓦，下降到2030年600元／千瓦。

另外，很重要的一个就是车载储氢的成本。欧阳明高预测，储氢成本预计会比燃料电池下降得慢一些。现在国内已经投产塑料内胆碳纤维缠绕的700大气压车载高压储氢瓶，目前成本很高，预计到2025年储氢瓶成本3000元／公斤。

根据氢能燃料电池的技术路线图。2025年目标是推广5－10万氢燃料电池车；2030－2035年实现80－100万辆应用规模，这都是以商用车为主体。

欧阳明高表示，在这个情况下，氢需求量到2030年大概300万吨左右，这个可能比之前预期的低一些。如果主要是轿车，几十万吨就够了。

不过，加氢站的数量可能比之前的预测的要多一些。“因为加氢效率比加天然气要低，氢是最轻的一种气体，只是天然气密度的1／8。”

欧阳明高认为，当前氢燃料电池汽车发展还面临一些挑战，比如说氢燃料产业链自主化程度与技术水平和燃料电池还有差距，电解绿氢技术、氢储运技术、氢安全技术还需要改进提升，氢燃料的成本总体偏高，这是今后5－10年必须努力解决的。

3 光储充换多能互补

要打造可再生能源提供为主的能源体系，必须要有储能。 欧阳明高认为，短期储能可以依靠电池，长期储能必须要靠氢。所以两者组合才能构成一个完善的储能系统。

（1）锂电池短期储能潜力巨大

现在受到电动汽车市场拉动，动力电池需求大幅上升。乐观估计，2025年中国电池的产能就会达到年产10亿千瓦时，成本会持续的下降，以锂离子电池为代表的动力电池正在成为分布式短周期小规模可再生能源储存的最佳选择。 “如果我们有一亿辆电动汽车，那么车上的电池就是50亿度，储能潜力巨大。但同时我们要看到充电的功率巨大，但耗电量并不是很大，这是我们要注意的特征。”

欧阳明高举了一个极端的例子，如果中国3亿辆乘用车全部改成纯电动，每辆车平均65度电，车载储能的容量200亿千瓦时，与我们中国每天消费的总电量是相当的。 如果10％的电动车按照50千瓦的中等速率同时充电，那么3亿辆车的充电总功率就是15亿千瓦，与全国电网总装机的功率相当。也就是说，电力系统功率全都要给电动车充电了，这是不可能实现的。 “如果按平均每辆轿车年行驶两万公里，三亿辆车每天消费电量大约是20亿千瓦时，占比总消费量10％，这是完全可以接受的。”

大规模电动汽车推广的优点是储能潜力巨大，问题是充电功率也巨大。欧阳明高认为，要趋利避害，首先利用储能潜力来抑制电网的波动。所以必须通过有序充电、车与电网双向充电、储能放电、换电池和充换电一体化等智能充电方式将充电功率大幅收窄。

欧阳明高认为，对于商业目的的乘用车，如共享车、出租车，换电是不错的商业模式。不过换电最佳使用场景可能还是电动中重卡。

这种中重卡可以使用充换一体化快速能源补给站，轿车超级快充、中重卡快速换电，两者合建。重卡的电池容量大大超过轿车，换电的备用电池包可以给轿车放电，提供快充，形成互补。最终的形态将是“光－储－充－换”多能互补的微网系统。

欧阳明高认为卡车换电从经济账来看完全可以算过来。

例如高速公路的中重卡，只需三五分钟，车电分离、电池租赁，电池由电池银行持有，大的电池银行电池用电量大，负荷预测准，可以在电力交易中拿到低电价。同时大量的购买电池也可以压低电池价格。另外全生命周期管理电池，可以使电池寿命增长、梯次利用。

不过，高速公路长途必须要有超快补电的措施。去年，中日两国合作制定的大功率快充新标准——超级充电标准，中电联预计2025年可以全面提供超充服务。

欧阳明高支持，根据他团队的研究表明，对一个续航里程600公里的车5分钟应急补电充200公里（也就是电量增加1／3）是完全可行的。

对于私家乘用车，欧阳明高还是看好充电，他认为基于车网融合和大功率快充技术的发展前景以及电池底盘一体化设计趋势，充电更划算。

（2）长期储能，储氢最佳

当然，集中式可再生能源大规模长周期存储，储氢是最佳途径。

对此，欧阳明高给出了四个理由。

第一，能源利用的充分性。氢能大容量、长周期储能模式对可再生电力的利用更充分。有些电力电池储不了，例如四川的季节性水电，只有氢能储得了。所以说制氢的电价比充电的电价便宜是有可能的。

第二，规模储能的经济性氢能比电池好，车下固定储氢大概比储电成本上大约要低一个数量级。

第三，与电网基础发电电源的互补性。氢能可作为大容量、长周期、高功率灵活能源使用，如用于燃料电池发电，或者用于大型氢燃气机发电。大电网不可能全是风电、光伏。

第四，氢的制、储、运方式灵活。我国的大规模集中式可再生能源基地在新疆、内蒙、宁夏等西部偏远地区，这些地方的氢能需要千公里以上长途输运。同时绿氢的输送通道和特高压电输送通道是重合的，发挥超高压输电的中国优势，开展长途输电当地制氢也是一种选择。这两类方式从储能角度没什么太大差别，关键是谁的经济性更好。

欧阳明高分析认为，比较发现长途输电当地制氢方案总体看是有一定优势的。按电力专家介绍的特高压千公里输电成本为8分钱／度电为基准计算，当可再生能源发电在0．1元／千瓦时左右时，可以大致实现加氢枪出口价格30元／kg左右的目标，与柴油比具有价格竞争力。这样一来就形成一种中国特色的长途输氢方案，而且利用了我国的能源互联网优势。

最后，欧阳明高展望了未来十年交通智慧能源生态，他认为大概会有有两个组合：一个黄金组合，就是分布式光伏＋电池＋电动汽车＋物联网＋区块链；还有一个白银组合，集中式的远距离的风电与光伏＋氢能储能及发电＋燃料电池汽车＋物联网＋区块链。

一个是分布式的智慧能源，一个集中式智慧能源，两者结合，共同构成面向碳中和的未来智慧能源大系统。

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