11月12日,在2015年第3届中国(武汉)锂电新能源产业国际高峰论坛(ABEC 2015,锂电“达沃斯”)上,惠州亿纬锂能股份有限公司电源系统部的副总黄红良发表了题为《三元动力电池的应用和发展》的演讲报告,以下是演讲报告实录。

黄红良

  惠州亿纬锂能股份有限公司电源系统部的副总黄红良

  中国电池杂志-中国电池11月12日讯(陈语 湖北武汉直播报道)11月12日,在2015年第3届中国(武汉)锂电新能源产业国际高峰论坛(ABEC 2015,锂电“达沃斯”)上,惠州亿纬锂能股份有限公司电源系统部的副总黄红良发表了题为《三元动力电池的应用和发展》的演讲报告,以下是演讲报告实录:

  各位专家,各位同仁上午好!我演讲的题目和主持人报告的有一点点区别,我想把三元动力电池的应用和发展跟大家稍微分享一下。

  我们知道新能源汽车发展在2014年、2015年这个风口,但是这个风口肯定是不持续的,我觉得平稳快速的增长才是我们新能源汽车发展最好的途径。每年增长两到三倍这个不太现实。所以我跟很多专家和同仁在预测这个过程的时候,我们觉得2016年这样的增长可能会保持在70%到100%这个增长范围之内,这也是相当乐观的。

  而这个70%到100%的增长,我更看好乘用车的快速增长,而客车,特别是公交车的增长可能更加放缓。在商用车,比如物流车和专用车这一类的增长明年会有大的增长。

  新能源汽车的发展离不开锂离子动力电池,随着我们十一五、十二五对磷酸铁锂的一个支持,以及在2014年,2015年三元的一个突飞猛进的发展,基本形成了我们磷酸铁锂和三元并行的技术路线。我们在这里看一下锂离子动力电池的分类,大概有两种,一种是根据它材料来的,比如磷酸铁锂、三元、锰酸锂、钛酸锂。还有一种分类是跟它的外观形态,比如我是圆柱,是软包,还是方形铝壳。我们说锂离子电池这两者是加起来的,比如我们表达一个方形铝壳的磷酸铁锂电池,它就是一个外观形态加材料的这样的一个方式。

  那么在国内外的技术路线我们可以看到,左边的这个表是2014年我们国内的前十的排名,可以看到磷酸铁锂基本形成以方形铝壳为主的技术路线,但是还有2014年发展三元、软包的技术路线。国外以三元或者锰酸锂离子为基础。方形铝壳和磷酸铁锂,我的预测,在今后五年,必须是个并行,磷酸铁锂安全性好,循环寿命高,在一些公交车和出租车这一类的应用领域肯定会选择磷酸铁锂。

  三元这一块,因为它的比能量比较高,而且成本比较低,你在一些低成本的站点,或者要求体积比能量和重量比能量要求比较高,用三元材料。

  因为磷酸铁锂发展的技术比较成熟,大家都比较清楚,所以我在这里重点来讲讲三元动力电池。现在三元我总结了三个适用的领域,就是物流车、专用车以及乘用车,这个乘用车就是比如微型车,满足双100的。

  为什么这三个应用领域比较符合三元材料的应用呢,因为它的应用条件没有那么恶劣,而且它的道路条件比好,而且使用年限也没有像公交车需要8年或者20万公里,或者30万公里这种需求。所以我总结三元材料在三个领域当中的应用会是今后的重点。

  三元材料也有技术路线,我们到底是用圆柱还是用软包还是用方形铝壳呢,圆柱也有18650,还有特斯拉即将发展的20700,还有26800这种圆柱形的,可以统称为圆柱钢壳,容易做到标准化、规模化、一致性。

  软包现在可能是在日韩发展得比较多,特别是韩国的LG。软包我觉得国内的企业如果要去玩软包,如果你的PEC技术成熟,热管理控制非常好的话,你可以去做。但是以目前PEC技术水平来说,国内厂家去万万18650这种标准化的东西还是比较靠谱的。

  但是我觉得我们目前来说要去做18650这种标准化的产品,我们也要看到国际特别是日韩的发展路线,的看法是,在未来一到两年之内,还是以18650,特别是在物流车、专用车,还是以18650为主。今后三元如果随着你的PEC的成熟,散热成熟的话,我想它的发展会以18650标准型加方形金属壳这个技术路线并行。

  目前来说18650这样的应用,在成组方式有三个方面,第一个方面占据到现在成组方式的电阻焊,现在市场70%到80%,但是还有一个成组方式会异军突起,就是铝丝焊接,类似特斯拉的这种,这个为什么会异军突起呢?第一个,它相当于跟每一个18650或者圆柱电池上的保险丝,它的安全性高。第二,它的成本也比较低,安全性高,成本低,你当然会得到市场的接受。但是它有一个缺点,我们目前对铝丝焊接的工艺要求还是比较高的,所以为什么没有大规模使用的原因。

  除了这两个,一个现在主流,一个未来会成为主流,还有一些其他的连接方式,各个厂家为了做一些产品的差异化而设计的18650的成组方式。我总结,不管你成组方式怎么发展,但是它必须要遵循三个标准,第一个标准你必须要做成标准化的模组,这样你的成本才低,你的线才好布置。第二个就是你成组的成本低。第三,安全性。做到这三点,今后的连接方式肯定是成为主流。

  上面讲了技术路线,成组方式,它还有三个关键问题需要解决,第一个就是安全性,我们电池它是一个能量体,可以说一个电池厂它的优劣百万分之一就很优秀了,你保证它的安全安全性,电芯是一个基础,但是也是一个系统工程。所以我们引入了一个安全边界,或者是安全的本真性的这样一个概念。如果我整个系统当中有一个电池或者多个电池同时发生泄露起火的条件,而对整个电源系统是安全的,我们就讲它是安全的。我的意思就是你不能保障你每一个单体能量体是安全的,但是你要保障你整个系统是安全的。

  怎么保障整个系统是安全的呢?我这里给出了两个建议,第一个建议就是我单体的能量要小,即使发生了起火的现状,你对周围的影响不够大。第二,我系统的一些设计,来保障整个电源系统是安全的。我们在这里做了两个实验,第一个是把三只电芯同时短路,第二个是三只电芯同时加热,大家可以看一下图。

  第二个需要解决的问题就是热量管理的问题,三元为什么不安全,因为它发热量比较大。这里给出两个图,两个图就是中倍率5C,可以看到在1C放热条件下,它的温升不超过5度,这是可以接受的。但是随着2C,3C,特别是5C,它的温升就有点大了,在15度到25度之间。

  下面一个是能量型的电芯,用1.5C持续放大的话,可以看到在整个放电过程当中,温度到70度,这样的话,在我们应用过程当中是不可以接受的,特别是温升40多度。

  我们列这两个图要说明的问题,我们能量型的发热量肯定要大,功率型,特别是1.5C18650它的发热量相对来说比较小的。我们在热管理方面的话,现在很多车厂是要求你IP67的等级,所以如果要达到IP67的等级只有两种途径,第一种是自然冷却,第二种就是液冷。我给出的一个观点,你在不同的应用领域,其实你可以应用不同的产品,你要去做到一个平衡点,比如在专用车,物流车的领域,使用条件比较优良,我建议是用5C型的电芯,如果是高端乘用车,追求加速度,追求它的比能量要高,我建议采用能量型的电芯,而且采用空调风冷,或者液冷的方式。

  第二个要解决是寿命的问题,现在的18650的寿命基本上如果在100%SOC的条件下,在800到1200次之间,如果控制在10%到90%SOC的话,在1000到1500次之间,如果成组按80%循环寿命折中的话,基本满足物流车和乘用车5年12公里的需求。但是我们现在说它基本满足,我们不应该屈服于现在满足,所以我们要进一步地提高18650的寿命,单体电芯要提高到2000次以上,要控制SOC使用范围在10%到90%,然后要自动化生产,保障单体电芯的一致性,从而保证整个电源系统的寿命。

  三个问题解决完了我们看一看18650 200mAh电芯和韩国的对比,现在它供不应求,因为它有自己的特点,第一IC倍率放电,然后内阻小,发热量小,国内成组技术的水平不太高的话,所以它供不应求。我预计2016年,2.2Ah仍是一个首选,但是我们要把2.2Ah今后在中倍率条件下要更加提高。其实我们最面临的是跟日韩系进行竞争,我给出了三个建议,第一,我们要大规模化,至少是几十万只的起量,你今后在市场竞争才有可能有一席之地。第二,必须要做全自动化,做到一致性,来保证整个电源系统的寿命。第三,要做到比韩系更高的性价比,你价格要比它便宜,你的性能要比它好。

  下面我做了一下我们性能和韩系的对比,最关心的是循环性能,目前对我们自己的电芯来说,已经跑了1000周,我用1C 2150mAh作为标的,大家可以看一下这个图的对比,它的差距还是比较大的。我刚才建议从10%用到90%,我们做了一个常温的循环寿命测试,测试到600周用1C2000毫安时对它进行标的,大家可以看这个图。

  第三个我们关注它的高温循环性能。还有它倍率放电的性能,要关注它倍率温升的性能,我们做了两个,一个充电充到4.1伏,放电放到3.0伏,我们温升比它低10度,这对整个车厂来说还是非常有竞争力的。

  我们把它充到4.2伏,容量也比两个韩系要高,温度可能在4.2伏这样一个温升,容量越多,到后面放出的温度越大,所以跟它的温度相差在5度左右。我们还做了不同温度的放电性能,在单体零下10度可以放出73.8%的能量,零下20度可以放出64.8%的能量,如果你把它做成一个电源系统或者PEC之后,因为它有热量的聚集,它的放电能量会更多。

  我们还做了不同温度下充电的性能,我们建议零度以上进行充电,也做了零下10度进行充电,可以充95.8%,因为我们这款电芯不是针对于低温充电的电芯,所以不建议在低温下充电。

  这是高温储存的性能,在60度储存有96%容量的剩余,在容量恢复这方面可以恢复到100%,而且它的一致性是比较好的。

  还做了一些安全性能对比,就是一些常规的对比,这里没有放进去三元材料针刺,如果按照QC743,针刺是可以过。

  在未来18650的发展,上面是三芯的它可以给大家更好的发展方向,中倍率到高能量的291和337,后面有26P,是用来替代22P中倍率的一个电芯。

  我们18650要朝这两个方面发展,第一个是朝更高比能量方向去做,2933这样一个电芯,第二,朝着中倍率条件下的更高比能量,做5C和2.6Ah这样的电芯。除了这个,液冷会是今后的主流,如果高端车辆,液冷是一个基本的标准,如果在低端的,对成本要求比较高,物流车,微型车,我建议自然冷却。

  还有BMS,朝着更智能化和动态管理技术发展。

  上面分享了一下我自己的一些见解,我也把亿纬锂能介绍一下,我们是在2001年成立,在2009年创业板上市,在2014年达到12.8亿销售额,现在有四个工厂,一个是西坑工厂,在惠州,它是全世界最大的锂原电池生产基地。第二个是仲恺工厂。第三个松茂工厂,有两个事业部,一个是自动化的事业部,我们很多在锂原电池,以及数码类的自动化的设备,都是我们自己公司研发的。还有一个是荆门的工厂,主要是生产磷酸铁锂的电池。

  研发能力的话,现在有9名博士,257项专利,而且我们还有一个地方的联合工程中心,这是给我们民营企业在技术的一个最大肯定,品质体系建得比较完全。营业收入在2009年才2亿,到2014年12亿,这个增长是很快的。后面的发展会更加迅速。

  第三个就是动力电池的产能规模,磷酸铁锂在荆门生产占地200亩,专门生产方形铝壳的电芯,现在生产50到100Ah的容量范围。日产是3000只,到年底会达到8000,达到日产13000。

  然后是三元电芯,我们从头到尾是没有一个工人的,我们整个团队是100人左右,包括50个人是设备维护和工程那边的人员,其他都是一些品质和生产管理人员。仲恺二期2015年底会达到30万的产能。

  成组方式三个方面,第一个做软连接的结构。第二个是铜镍复合片。方形铝壳承租方式,我们摒弃了螺丝工艺,采用激光焊接的方式,连接更可靠,但是它有一个缺点,它的后续维护这方面的成本比较高一点。

  我的报告到这里,谢谢!

  (以上内容根据论坛现场速记整理,未经发言者本人审阅。)

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