动力电池要求来了，300Wh/kg比能量目标如何实现

3月1日，四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知，明确指出了当前动力电池存在的不足和今后的发展方向。通知中将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一，关键指标和时间节点如下：

1. 到2020年，锂离子动力电池单体比能量〉300Wh/kg；系统比能量争取达到260Wh/kg；成本《1元/瓦时；使用环境达-30℃到55℃；具备3C充电能力

2. 到2025年，单体比能量达500Wh/kg

3. 力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用

4. 新型动力电池方面，积极推进锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究和工程化开发，2020年单体比能量》400Wh/kg、2025年达到500Wh/k

从指标的文字描述中可以看到：第1项指标是要求在锂离子电池体系下实现的，第3项指标应该是在锂离子电池体系下再往前冲一冲，所以提出了“力争实现”。至于第2、4项指标，锂离子电池体系估计无能为力了，必须要开发新的电池体系。

尽管锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究历史已经很长，但是其技术进步还是比较缓慢。如今各种交叉学科发展已经有了较大进步，这将有助于继续开发这些电池体系，期待能有突破。

经常看到很多媒体报道把“比能量”和“能量密度”混淆了。通常，使用“比能量”来描述单位质量的能量水平（Wh/kg），用“能量密度”来描述单位体积的能量水平（Wh/L）。

这里我们来主要看一下在锂离子电池体系下的比能量发展途径。

· 锂离子电池单体比能量

2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提到了纯电动汽车动力电池的比能量目标是2020年350Wh/kg， 2025年是400Wh/kg， 2030年是500Wh/kg。该目标与四部委提出的指标很接近，也在业内引发了热议。我们梳理一下2016年媒体报道的各大电池企业的比能量目标和实现路径：

· 比亚迪：三元电池希望在2018年做到240Wh/kg，2020年大概做到300Wh/kg。正极采用高镍三元材料，负极采用氧化亚硅或纳米硅，

· 宁德时代：2016年可以做到200-250Wh/kg，“十三五”期间希望实现350Wh/kg目标，材料体系为高镍三元/硅碳材料

· 国轩高科：2020年目标是300-350Wh/kg，采用高镍三元正极材料，硅基负极材料，5V高电压电解液

· 比克：18650圆柱第四代产品（3.0Ah）普遍可以达到220-230Wh/kg，2017年第五代产品（3.6Ah）的比能量预计可以达到250Wh/kg。比克是较早锁定三元材料路线的企业。

· 力神：正在开发200-250Wh/kg的产品，圆柱电池已经可以达到250Wh/kg，2020年争取达到300Wh/kg，采用第三代富锂锰基层状材料和硅负极材料

· 三星SDI：2016年水平为250Wh/kg，预计2030年达到350Wh/kg（可能采用了其他电池体系了）

值得注意的是，宁德时代、天津力神、国轩高科三家电池企业在2016年还入围了科技部重点专项，该项目的考核指标为：

· 动力电池新材料新体系（基础前沿类）：考核指标：新型锂离子电池样品能量密度≥400Wh/kg，新体系电池样品能量密度≥500Wh/kg

· 高比能量锂离子电池技术（重大共性关键技术类）：考核指标：电池单体能量密度≥300Wh/kg，循环寿命≥1500次，成本≤0.8元/Wh，安全性等达到国标要求；年生产能力≥2亿瓦时，产品累计销售≥3000万瓦时或装车数量≥1000套。

这些重点专项的考核指标还对循环寿命、安全性能、甚至销量和产能提出了要求，这对入围的电池企业也是不小的考验。

从所有公开的信息可以看到，中国各大电池企业实现300Wh/kg的技术路线可以归纳为：

· 正极材料：高镍三元，或者富锂锰基

· 负极材料：硅基材料

· 电解液：高压电解液

· 隔膜：目前还是PP、PE为主，外加陶瓷涂层

下表是2015年欧洲-日本技术研讨会上展示的一组数据，描述了在锂离子电池体系下，实现不同比能量水平可采用的材料体系。可以看到，其实在材料体系的选择上，各国的情况都比较类似。

下面我们看一下日本电池企业的情况。在日本NEDO（New Energy and Industrial technology Development Organization of Japan）的牵头下，日本电池企业都积极参与了高能量电池的研究和投入。例如，我们看一组2016年日立Hitachi的数据：

· 正极材料：高镍层状三元

· 正极电极：335g/m^2，3.0g/cm^3

· 负极材料：硅合金和石墨的复合材料，容量比1：1

· 负极电极：2.1g/cm^3

· 电池容量：30Ah，软包电池

· 充电上限电压：4.2 或4.4V

· 放电下限电压：2.0V

· 电流：C/20，或C/3

图1是其测试数据。我们可以看到，充电电压为4.2V、电流为C/20（Cell-4.2）时，比能量为290Wh/kg；充电电压为4.4V、电流为C /20（Cell-4.4）时，比能量为335Wh/kg。同时，Hitachi也指出，虽然初始比能量很高，但是在经过100次循环之后，容量衰减极大。估计这种情况也是现在很多电池企业正在头疼的问题：比能量指标实现了，但其他性能还不行。

图1 Hitachi 30Ah电池数据

综合来看， 单纯实现300Wh/kg的目标在2020年基本是可行的。问题是：实现了这个目标是否就表示能用在电动汽车上呢？答案肯定是否定的。汽车动力电池是一个系统工程，满足比能量要求只是条件之一，其他性能（充放电倍率、功率、寿命、安全性等）也是至关重要的。在实现高比能量的目标的基础上，综合发展、提高其他各项性能指标，还需要投入更多的时间和精力。

参考

Development for 300Wh/kg-Class High Energy Li-Ion Battery for EV. Research and Development Group， Hitachi， Ltd.

Europe-Japan Symposium. Electrical Technologies for the Aviation of the Future， 26-27 March 2015

作者：129Lab