展望我國，日本，歐盟和美國的電池研發工作

高性能鋰電池的最新發展已經引發了現代社會的深刻變革。啟用無線通信后，鋰電池為汽車行業全面過渡到電動化時代鋪平了道路。然而，有關尋求具有高性能的，高安全性的和低成本的電池技術仍在繼續。因此，在經濟上也投入了大量的人力和物力。第12屆國際先進動力鋰電池年度會議（AnnualInternationalConferenceonAdvancedLithiumBatteriesforAutomobileApplications,ABAA-12）于2019年十月在德國烏爾姆舉辦，來自我國，德國，日本，歐盟委員會和美國的諸多政策制定者們，對要怎么樣推動鋰電池技術在電動車中的使用提出了富有建設性的意見，對相關愿景進行了深入的描述。這篇前瞻性文章的目的旨在對當前各國的研發趨勢以及電動車在大眾市場中的滲透給出一定見解。

【背景導讀】

全球人口的不斷上升以及城市的擴展，挑戰著現有的交通和能源處理辦法。鋰電池（Li-ionbatteries,LIBs）技術觸發了道路運輸，家庭能源存儲電氣化的第一步，更廣泛地講，減少了社會整體有關化石燃料的依靠。實在，鋰電池技術的成功正在加速社會能源結構向可再生能源的過渡，并張大對電動車（Electricvehicles,EVs）的接受度和市場滲透率。預計到2028年將有2億輛各類電動車投入使用。自1991年Sony首次商業化鋰電池以來，它們的性能不斷被提高以實現這些成績。這些提升不僅要考慮到體積能量密度（Wh/L）和重量能量密度（Wh/kg），還要考慮安全性，成本和充電速度[1,2]。但是，為了推動現代社會可目睹的能源革命，還是要進一步的提升[3]。

與任何其他類型的電池技術相比，鋰電池具有出色的能量和功率性能[4]。這就是為甚么這種沖破性電池技術是迄今為止研究最多的原由。盡管如此，歷史告訴我們，鋰電池技術仍相對較年輕，距離首次商業化使用僅30年之久。因此，電池驅動的電動車要與由傳統內燃機（Internalcombustionengines,ICE）驅動的汽車競爭已不是一件容易的事，傳統的內燃機已經發展了近150年。另一方面，工業界和中央政府的承諾和財政支持正在推動鋰電池的研發工作，電動車的大規模加工和電池的商業化。因此，瑞典皇家科學院基于鋰電池技術的研發及使用對我們整個社會取得巨大進步的影響，將2019年諾貝爾化學獎授予該沖破性技術發明的三位科學家：AkiraYoshino,M.StanleyWhittingham和JohnB.Goodenough。

【文章正文】

1.科研&學術發展：如圖1，通過觀察2000年至2019年相關科學出版物數量的新增，也可以分明地看出，有關鋰電池的學術研究工作在不斷新增，2019年已發表超過10000篇論文。而在同一時間范圍內，已提交了涉及鋰電池的發明專利也有10500多項（數據來源：GooglePatents）。

圖1.與鋰電池主題相關的出版物數量(數據來源：Scopus)

2.政策激勵：盡管如此，期待鋰電池技術的所有關鍵性能指標（即安全性，能量，功率和成本）將進一步改善，從而張大終端客戶對混合動力（HybridEV,HEV），插電式混合動力（Plug-inhybridEV,PHEV）或純電動動力（BEV）等電動車的接受程度。此類改善緊要是由汽車行業推動的，事實上，即使2017年電動車的份額“僅”占全球汽車總銷量的1%以上，汽車行業仍利用了鋰電池總產量的約60%[5]。值得一提的是，電動車份額在接下來的一年中上升了兩倍以上，在2019年達到了略高于3%。其中銷售PHEV和BEV車型受到中央政府激勵措施的大力推動，這可以被視為補貼優惠（購買補貼）或者稅收優惠。在歐盟，幾乎所有成員國都在張大此類激勵措施，而一些成員國已經宣布禁止傳統內燃機的汽車銷售（如圖2）。

圖2.計劃禁止（純粹）以汽油為動力的汽車進行注冊（以年為單位）以及購買電動車具有補貼的歐洲國家/地區總體概覽（以綠色“對號√”表示）

在美國，我國和日本也提出了相應的激勵措施。這些框架計劃無疑為新增全球電動車注冊量（如圖3a）和累計銷量（如圖3b）做出了貢獻，兩者均顯示出了驚人的上升率。要指出的是，盡管2019年我國和美國對電動車的財政支持減少了，因此導致了全球范圍內新電動車較低的注冊上升率（+4%），但這些國家的銷量無論要怎么樣都接近了之前的水平。而在歐洲的銷售額進一步新增（數據來源：ZSWDataServiceRenewableEnergies）。

圖3.全球電動化市場中，電動車存量和注冊量的年度數據

數據來源：ZSWDataServiceRenewableEnergies:

https://www.zsw-bw.de/en/media-center/data-service.html#c6700

3.成本下降&技術路線提升：顯然，與傳統的內燃機動力汽車相比，電動車的購買成本仍相對較高（至少在沒有大量補貼的情況下）可能依然使消費者望而卻步。在這方面，由于總產量的進一步上升以及使用比鈷更便宜的金屬，預計電池成本將在將來幾年內逐步下降（如圖4）。盡管如此，非得指出的是，在2010-2018年的時間范圍內，在電池組層級上每度電（KWh）的價格已下降了85%（數據來源：BloombergNEF）。NEDO的2030年下一代電池的研發目標顯示，電池組的價格有望進一步下降（如圖4），到95美元/kWh。

圖4.2010-2030年間，電池組級別的鋰電池價格與總產量的變化(NEDO供應的2030年預測成本)

如前所述，鋰電池的改進很可能會體今朝所有的緊要性能指標上。而此，安全性被認為是最緊要的。非得指出，由美國國家公路交通安全管理局（USNationalHighwayTrafficSafetyAdministration,NHTSA）出具的一份報告顯示，有關發生電化學失效風險的結論是：“鋰電池系統中使用的易燃電解質溶劑意外著火引起的火災和爆炸的傾向性和嚴重性，在某種程度上僅是與汽油或柴油車發生事故相提并論的，或者是略少一些的[6]。”顯然安全性仍非得進一步提高，但目前在鋰電池安全性方面還是取得了令人矚目的一些成績。

此外，一次充電，預計充電時間為10-15分鐘或更短，將使電動車的行駛里程延長至500公里（即約300英里）以上，這與以傳統內燃機為動力的汽車加油需求相當。如圖5所示，在策略上要怎么樣達到大部分都符合要求的性能目標，可預見將來技術要使用改進的液體電解質和/或固態電解質，無鈷陰極材料，更好地理解電化學反應界面以及從長遠來看要怎么樣二次利用工作后的鋰電池。此外，越來越多的努力方向指向用于材料和電池加工的回收和工業化廠。如今，大多數鋰電池的加工都在亞洲，特別是在我國，韓國和日本。但是，為了應對產量的不斷攀升，非得新增全球產量以應對汽車行業的整體需求。就歐洲而言，已經規劃了超過300GWh/年的產量，而在美國，TESLA計劃將電池總產量提高至22GWh/年。然而，隨著電動車的不斷發展，全球要更多的產量。

圖5.電動車電池研發工作的總體路線圖，涉及使用的陽極，電解質和陰極材料

【總結】

2019年十月在德國烏爾姆舉辦第12屆汽車使用范疇國際先進鋰電池年度會議（ABAA-12），供應了由國內（國際）資助計劃支持下的當前和將來各項電池研究工作的深刻理解。因此，與這篇展望文章一起，我們向讀者供應有關BMBF（德國），CAS（我國），DG研究與創新（歐盟委員會），DOE（美國），NEDO（日本）等政府機構的緊要活動，指南和路線圖的報告。

【參考文獻】

[1]M.Li,J.Lu,Z.Chen,K.Amine,30Yearsoflithium-ionbatteries,Adv.Mater.30(2018)1800561,https://doi.org/10.1002/adma.201800561.

[2]Z.P.Cano,D.Banham,S.Ye,A.Hintennach,J.Lu,M.Fowler,Z.Chen,Batteriesandfuelcellsforemergingelectricvehiclemarkets,Nat.Energy.3(2018)279-289,https://doi.org/10.1038/s41560-018-0108-1.

[3]M.Armand,J.-M.Tarascon,Buildingbetterbatteries,Nature451(2008)652–657,https://doi.org/10.1038/451652a.

[4]Y.Ding,Z.P.Cano,A.Yu,J.Lu,Z.Chen,AutomotiveLi-ionbatteries:currentstatusandfutureperspectives,Electrochem.EnergyRev.2(2019)1–28,https://doi.org/10.1007/s41918-018-0022-z.

[5]D.Bresser,K.Hosoi,D.Howell,H.Li,H.Zeisel,K.Amine,S.Passerini,PerspectivesofautomotivebatteryR&DinChina,Germany,Japan,andtheUSA,J.PowerSources382(2018)176–178,https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.039.

[6]D.Stephens,P.Stout,G.Sullivan,E.Saunders,J.Risser,J.Sayre,Lithium-ionbatterysafetyissuesforelectricandplug-inhybridvehicles,Natl.Highw.TrafficSaf.Adm,2019(ReportNo.DOTHS812418),Washington,DC.

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除