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《中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望》由清华大学《新能源动力系统》产学研用团队发布，主要内容包括发展历程、技术进展和前景展望。
- 发展历程：2010年至2024年，动力电池比能量从100Wh/kg提高到300Wh/kg，成本从大于4元/Wh下降至低于0.5元/Wh。2000年至2030年，动力锂离子电池经历了30年的创新周期，包括新材料创新和电动汽车应用等阶段。
- 技术进展：
- 电动汽车应用与安全电池：揭示了三元电池热失控全过程机理，确定了热失效化学反应调控的关键靶点，开发了热失控抑制技术，提出了电池系统热失控的特征模式和热管理设计新方法。
- 人工智能革命与智能电池：电池全生命智能化有助于“设计 - 制造 - 管理 - 回收”全生命周期提速降本，包括智能传感、内置芯片、无线BMS和智能算法等技术，可提升电池研发效率和管理水平。
- 材料体系创新与固态电池：中国全固态电池技术路线研讨会确定了技术发展步骤，包括攻关固态电解质、高容量复合负极和高容量复合正极。硫化物电解质技术成熟度较高，复合电解质潜力巨大。硅碳复合负极和锂金属负极也在不断发展。
- 前景展望：高比能全固态电池与低成本、长寿命锂离子电池对中国动力电池产业同等重要。电池回收再生和绿电比例提升可减少碳排放，动力电池产业向西部地区转移是重要选择。
该报告全面阐述了中国动力电池的发展现状和未来趋势，为行业发展提供了有益的参考。
以下为报告节选内容
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欧阳明高：中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望
来源：中国汽车趋势网
由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社共同主办，天津经济技术开发区管理委员会特别支持，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会、中国汽车动力电池产业创新联盟、新能源汽车国家大数据联盟联合协办的第二十届中国汽车产业发展（泰达）国际论坛（以下简称“泰达汽车论坛”）于2024年8月29日至9月1日在天津滨海新区举办。本届论坛以“风雨同舟二十载携手并肩向未来”为年度主题，邀请重磅嘉宾展开深入研讨。在8月31日“开幕大会：壮阔二十，共赴新质生产力涌动下的产业未来”中，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高发表了题为“中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望”的演讲。![]()
今天我来做一个关于动力电池方面的报告，首先介绍一下，我们从2001-2021这二十年主要从事新能源汽车方面的研发，现在新能源汽车迄今为止实际解决的是动力电动化问题，动力电动化当然可以实现节能减排，但这样还不够，我们发展新能源汽车的初心是能源安全、是环保考量，发展到今天，面临如何再深入研究的问题，那么就需要能源绿色化，所以我们认为新能源汽车是上－中一下三场，我们一般提上半场电动化、下半场智能化，其实还有一个就是绿色化，如果我们没有绿色化，我们还不能叫作100%的新能源汽车。因此，我们发展新能源汽车的根还在能源，还在绿色转型，所以我们现在推进新能源革命。因为，只有实现新能源革命，才能实现真正的新能源汽车，能源必须用绿电才有可能是真正的新能源汽车。那么，大家就会觉得这个事情好像不是我们汽车界的事，和我们新能源汽车好像没有什么太大关系，实际上关系紧密，新能源现在什么状态呢？今年8月5日国家能源局发布上半年风电光伏（清洁能源）发电量占全国总发电量比例20%，去年风电光伏占比是16.8%，这半年提高好几个百分点。去年全年非化石能源发电量占全部发电量的36%，今年估计会到40%。当然，这还有60%是化石能源，其中煤可能有50%多，还有百分之几的天然气。去年接近3亿千瓦时的清洁能源发电量，今年又涨20%，会超3亿，如果后7年每年3个多亿，到2030年有多少呢？现在已经过10亿了，2030年会达到31亿到35亿，如果35亿的风电光伏发电量大概4.5万亿度，我们按照2030年发电13万亿计算，当年也会达到35%。如果再加上水电、核电等等，就会达到55%以上。也就是说，2030年新能源会占主导地位，这个不是很长远的事。我相信，2030年比我说的这个数可能还会更高。所以，新能源不是问题，发展得已经完备，现在关键是电网消纳不了了。这个怎么办？要靠我们新能源汽车，怎么靠？第一就是电池，大家知道我们现在的新型储能96%是电池，所以电池不仅仅是新能源汽车，也是新能源消纳主要储能方式。那么，将来如果新能源越来越多，现在的电池放电最长10个小时，再长了就不行了。更长怎么办？靠氢能。我们这么多年氢能燃料电池汽车的发展，实际上氢燃料电池汽车消纳的能源只能占到氢能的不到20%，那么就是氢储能，将来的煤电厂要用氢代替。所以长周期靠氢能，中周期10个小时靠电池、电化学储能电站，还有短周期靠什么呢？靠车网互动，那就是智慧能源系统。所以，我们新能源的发展都跟新能源汽车有关，它的长周期储能——氢能，中周期储能——电化学电站，短周期储能——车网互动，把我们所有的车都变成储能装置，形成虚拟电厂，车能路云一体化，这个事不会很遥远，2030年就会爆发。我今天就讲一下其中的电池部分，不光是为了汽车，也是为了储能。首先中国动力电池的发展。我们这么多年来新能源汽车为什么会爆发式增长？主要取决于锂离子电池的技术突破，我们回顾一下历程，我们动力电池2000—2030年是一个完整的技术周期，第一个十年，动力化开始落地，主要遇到的问题是安全，安全问题直到今天还没有彻底解决，我是2010年由于烧车才进入的电池研究，所以成立了电池安全研究实验室。第二个十年人工智能革命和智能电池，就是电池的全生命周期智能化，降本提效。2020年开始进入第三个十年，到2030年重点就是材料体系创新，就是固态电池。三个电池三个十年，研究的重点分别是安全电池、智能电池、固态电池，下面分别介绍这三个方面。首先电动电车的应用引出的安全电池问题。电池安全首先面临的就是热失控，所谓热失控就是各种诱因引发温度上升，温度上到一定的程度，温度每秒钟可以上升一千度，温度控制不住了，这个叫作热失控。一个电池热失控之后，再在电池包里面传播蔓延，最后导致燃烧事故，就是这样的过程。我们研究就需要从材料、原子的角度，比如说同步辐射光源大科学装置；而后从热的角度研究，揭示热失控过程的机理；然后再研究电池单体热失控与抑制技术，比如说正极材料的包覆，高安全隔膜等等。我重点讲一下电解液，电解液为什么会有热失控，一个很核心的原因就是正极材料失氧，氧气和电解液中间的EC发生反应。我们的研究是把EC去掉，叫作EC-Free，再进一步做聚合，把电解液聚合形成一个聚合的网络，把里面包起来，这样就可以抑制热失控，这种固液混合或者半固态，我们叫高安全电池，我们通过这个办法把安全过关，所以这个就是第一步。第二步是抑制蔓延，蔓延有一个很重要的原因是之前没有发现的，就是“颗粒物诱导击穿电弧”，一般电弧空气电离是要很高的电压，但是在我们这种电池情况下，出来了颗粒这个是很重要的发现，所以必须把这个问题解决，基于这个总结提出了电池系统热失控的顺序蔓延、乱序蔓延和同步蔓延三种特征模式。在此基础上可以进行仿真，我们用气-固两相流模型对热失控后过程进行精准模拟，进而指导热管理系统的优化设计。为了抑制蔓延，原先主要做隔热，但是会影响电池比能下降，现在我们提出隔热+冷却方法，可调节热流，实现了对高能量密度电池组热蔓延抑制。除了隔热还要加上吸热，可以把这个问题解决。工信部5月份颁发新的电池安全要求就是要完全杜绝燃烧，在300瓦时/公斤以内，目前的技术是完全可以做到的，主要是靠热方面的加大冷却、烟气分离、避免绝缘被破坏引起电火花等实现，比如宁德时代做的麒麟电池其实就是把这些技术都集成在系统上了，所以它300瓦时/公斤、系统比能量255瓦时/公斤都可以做到，一千公里的电动汽车都可以不燃烧，不需要固液混合就可以做到。第二个问题，就是人工智能革命与智能电池。动力电池需要智能化的电池管理，全生命周期智能化提速降本；另外，储能电池越做越大，现在达到了600Ah，一个电池两公斤，电池数目减少，就把比能量做上去，但是这样做上去安全、寿命、异质性风险全都加大了，所以按照传统的办法这个不行的。所以，我们就需要往电池里面加芯片。现在往储能电池里面植入芯片、传感器，全时监控，所以这个就是发展智能电池的两个背景。首先是电池仿真与设计智能化。之前是试错法，后来叫仿真化，现在电池智能设计（BDA），电池智能设计技术可将电池研发效率提升1～2个数量级，节省研发费用70%~80%。主要是靠仿真技术和高效智能的循优算法实现。在智能仿真方面，我们现在的数字实验室融合多尺度表征－计算－分析－设计－发展技术，整合电池测试、优化设计和AI建模方法，形成新材料、新设备和新系统的闭环研发系统。电池设计软件工具链，覆盖虚拟建模、短/长期性能仿真、型号自动设计，这个叫作人工智能，图像处理完直接进仿真软件，仿真软件直接预测，预测性能好方案选出来快速原型，所以整个链条都是智能化的。国内像宁德时代已经开始做了。另外一个是电池智能制造，在智能装备方面，现在开始叠片电池了，比如深圳吉阳科技，现在已经可以做到每分钟叠600片，那么这个叠片节拍也是全球第一的。在电池制造工艺方面，工艺的前段、中段、后段工艺都要进行智能化，尤其是产线大数据，比如说分容是非常费劲的，费时、费空间，现在通过智能预测可以把分容减少一半，可节约45%分容时间、电费、设备、场地，所以产线大数据也可以使得这个缺陷电池不要流入产品中间去。在电池智能管理方面，我们之前叫作BMS，电池管理系统那是初级的，现在智能电池管理系统，最核心的就是用大模型，大模型电池监控。安全监控、状态估计都用大模型，那么这个已经落地的很多，北京深科能源建立了全球第一个电池大模型，做电池安全监控。在电池智能化方面，电池智能化有很多方面，我只讲一个，电池智能化最难的是想知道电位，电位很重要，比如说快充，负极电位太低了，必须再加一个电极，就是第三个电极。我们电池管理把整个电池分成了两个半电池管理，这样更深入电池内部，但是这件事很难的，现在的隔膜变成传感器，这种智能隔膜，我们探索了很久，开发了智能膜电极（隔膜－参比电极一体化方案），基于长寿命活性材料和多孔薄膜基底，智能隔膜有望实现全生命周期负极电位监测，已经可以做到六千个小时，已经可以实用化了。这个已经植入到现在的电池里面了，已和多家厂家合作，换成有芯片的，配套无线BMS使用。第三个问题是固态电池。我认为分三步，首先重点攻关固态电解质，第二步重点攻关高容量复合负极，第三步重点攻关高容量复合正极。首先是固态电解质。2025年以200Wh/kg和400Wh/L为目标，打通全固态电池技术链，三元和石墨正负极基本不变，确立主体电解质；2030年以300Wh/kg和600Wh/L为目标，特种商用车应用为主要场景，三元和硅碳正负极，优化固态电解质体系（主体电解质+补充电解质），实现在电池层面大于4C的倍率性能和5000的循环寿命。经过现在的发展，固态电解质的主流方向还是硫化物固体电解质，现在硫化物电解质本身的问题大部分解决，包括工艺、安全。但不是说固态电解质电池就安全了，不是所有的固态电解质都安全，重点在研究固－固反应，这种反应可以比气－固反应的安全性能提升一倍，可以说，三元电池安全性提升到磷酸铁锂电池这个完全可以做到的。第二步就攻关复合负极。2030年以400Wh/kg和800Wh/L为目标，高性能乘用车应用为主要场景，进一步发展高比容量高硅基负极，实现在电池层面大于3C的倍率性能和1500的循环寿命；2035年以500Wh/kg和1000Wh/L为目标，进一步发展高比容量锂金属负极（锂金属载体或功能层）。现在整个电池行业最核心的技术变革就是硅碳负极，这个不光是全国在用，也是整个锂离子电池行业、手机行业首先采用了。但是硅负极膨胀太厉害了，我们要解决这个问题，因此我们创新地提出了一步法制备硅碳负极技术，该技术具有低成本、低能耗和低碳化等优点，硅碳负极材料可达到高比容量、长循环寿命和高首次库伦效率的目标。硅基负极现在国内两条技术路线，大部分技术路线都是由美国主导的硅烷气，在多孔炭上化学器上成集，现在国内大多在学这个。我们采用另外一个技术路线，采用高锂离子导率、低电子导率的材料作为界面修饰材料，提高硅碳负极材料和硫化物电解质的界面稳定性，实现硅碳负极材料优异的循环性能。我们这个技术路线现在可以稳定性更好，容量相当，同时成本大幅下降。第三步是复合正极。2035年以500Wh/kg和1000Wh/L为目标，进一步发展高电压高比容量富锂正极；2040年以700Wh/kg为目标，发展锂硫和锂空气电池。正极现在听说有700瓦时以上的电池，我认为至少汽车是不能使用的，现在还不可能。我们最后的正极可能是往锂-硫电池、锂-空气电池这样的方向去提升，用在我们轿车上每公斤700瓦时，我个人认为如果大规模生产的话，这个需要十年的努力，2024年由我牵头成立的中国全固态电池产业协同创新平台，正在推动整个行业的创新。最后我做一下前景展望。首先，锂离子动力电池技术变革进程会长期持续，但是对于中国来讲，高比能全固态电池与低成本、长寿命锂离子电池对中国动力电池产业同等重要，要双轮驱动。其次，节能减排。从电池回收再生方面看，物理回收减排超过50%；湿法回收减排32%；火法回收减排3.5%。此外，这里有一个如果按照中国2050年计划，排放需减少75%，要做到这一点，那就是发展绿电，用绿电实现零排放。2030年电力结构背景下碳排放降低12%；2050年电网深度脱碳背景下碳排放降低75%；100%绿电结合电能替代化石过程燃料，可以实现电池生产制造全生命周期近零排放。最后，我们为了要用绿电，动力电池产业向可再生能源丰富的西部地区转移将是中国电池产业发展的重要选择。在汽车制造领域，从制造用能方面，可通过将动力电池产能从可再生能源资源缺乏的东南沿海地区转向可再生能源资源较丰富的西北地区，或通过分布式太阳能、风能等形式来促进制造端减排；在制造用材方面，则可通过利用碳纤维材料等方式，促进汽车的轻量化，降低汽车用能，从而促进碳减排，增加碳汇。
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