性能、安全、成本持續(xù)優(yōu)化，車用動(dòng)力電池快速突圍

我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的狂飆突進(jìn)，將動(dòng)力電池與燃料電池推至車用動(dòng)力變革的前沿。從材料實(shí)驗(yàn)室的微觀突破到整車系統(tǒng)的集成革命，一場圍繞能量密度、安全邊界與成本效率的技術(shù)競逐正在重塑產(chǎn)業(yè)格局。在第五屆車用動(dòng)力系統(tǒng)國際論壇動(dòng)力電池及燃料電池分會(huì)場中，與會(huì)專家學(xué)者針對動(dòng)力電池與燃料電池的技術(shù)革新與未來發(fā)展，進(jìn)行了系統(tǒng)闡釋和剖析。

動(dòng)力電池能量密度與安全性全面提升

新能源汽車對續(xù)航里程需求提升，提高動(dòng)力電池能量密度成為關(guān)鍵因素。當(dāng)前鋰離子電池雖占主流，但其能量密度接近理論極限，而富鋰錳基正極材料因高比容量和低成本優(yōu)勢，成為提升電池能量密度的優(yōu)質(zhì)材料?！案讳囌龢O材料能夠?qū)崿F(xiàn)300mAh/g的比能量。如果用于固態(tài)電池，電池能量密度能達(dá)到600~700Wh/kg甚至更高，為電池發(fā)展注入新的動(dòng)力?！北本┐髮W(xué)教授夏定國說。

據(jù)介紹，富鋰錳基材料通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)有望大幅提升能量密度，但面臨循環(huán)穩(wěn)定性和電壓衰退問題。夏定國帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)研究，解決了這些問題，實(shí)現(xiàn)富鋰材料在保持高倍率的同時(shí)不產(chǎn)生電壓衰退。

中國汽車工程學(xué)會(huì)科技創(chuàng)新部總監(jiān)曲婧瑤則從電氣架構(gòu)角度提出支撐方案：“高功率負(fù)載（如主動(dòng)懸架/旋轉(zhuǎn)座椅）需48V架構(gòu)支撐（歐姆定律降損25%）。特斯拉CyberTruck的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)已驗(yàn)證一級配電的可行性，但需突破64V耐壓標(biāo)準(zhǔn)缺失和電弧風(fēng)險(xiǎn)?！倍斯こ躺系娘L(fēng)險(xiǎn)之外，48V架構(gòu)在考慮前期的芯片和產(chǎn)線工藝投入的基礎(chǔ)上，與12V電源架構(gòu)相比前期成本增加在1500元左右。“預(yù)計(jì)在2028年~2030年之間，成本有望打平，這是市場化應(yīng)用的基礎(chǔ)?！鼻含幷f。

而中國科學(xué)院物理所特聘研究員容曉暉則提出鈉離子電池與鋰離子電池的互補(bǔ)路徑?！扳c離子電池具有長壽命、寬溫區(qū)、高倍率、易制造、低成本、高安全的突出優(yōu)勢，其在-40℃低溫下能保持60%容量，10C快充適配重卡日行400km需求，相比鋰離子電池能夠少裝電池，提升15%載貨量。鈉離子電池與鋰離子電池混用可優(yōu)化低溫場景，鈉離子電池用作熱管理電源，已在兆瓦時(shí)儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)應(yīng)用?！蹦壳埃袊茖W(xué)院物理所牽頭成立的中科海鈉科技責(zé)任有限公司，已經(jīng)具備公斤級的材料量產(chǎn)技術(shù)以及電芯的批量制備技術(shù)?！爸锌坪ｂc在材料方面的生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)正負(fù)極材料千噸級制備，萬噸級生產(chǎn)線初步建設(shè)完成，目前準(zhǔn)備籌備十萬噸級材料正負(fù)極材料生產(chǎn)線建設(shè)。而在電芯方面，實(shí)現(xiàn)了1GWh的生產(chǎn)線建設(shè)，另外我們也將籌備10Gwh的電芯建設(shè)產(chǎn)線?！比輹詴熣f。

固態(tài)電池作為下一代電池技術(shù)代表，正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。其采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，提高能量密度并解決了電池安全問題。北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司研發(fā)總監(jiān)徐航宇說：“固態(tài)電池理論上有些局限性，畢竟還有液體存在。但實(shí)際上混合固液電池已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)比較好的安全的性能?！被旌瞎桃弘姵刈鳛槿虘B(tài)電池產(chǎn)業(yè)化之前的過渡方案，展現(xiàn)出良好的安全性能和較高能量密度。徐航宇介紹，通過原位固化技術(shù)，可在電池內(nèi)部形成與正負(fù)極顆粒保持原位共形接觸的電解質(zhì)，提高鋰離子傳導(dǎo)效率，提升電池性能。而在未來，全固態(tài)電池有望成為動(dòng)力電池市場主流。

動(dòng)力電池安全性能是新能源汽車發(fā)展的基石，提高安全性能、防止熱失控是技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。新國標(biāo)將“不起火、不爆炸”作為強(qiáng)制性要求，標(biāo)志著行業(yè)進(jìn)入“零容忍”安全時(shí)代?！靶聡鴺?biāo)取消熱擴(kuò)散5分鐘緩沖期，新增底部撞擊和快充后循環(huán)測試，并通過涉水綜合場景（振動(dòng)+鹽霧+泡水）驗(yàn)證全生命周期安全。”中國汽車技術(shù)研究中心新能源汽車檢驗(yàn)中心韓策博士說。他認(rèn)為動(dòng)力電池安全性判定的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是硫化物體系需大于5MPa壓力維持界面接觸，聚合物體系對溫度敏感（-30℃性能驟降）。因此，中國汽車技術(shù)研究中心首席科學(xué)家王芳團(tuán)隊(duì)制定了全球首項(xiàng)全固態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)（失液率＜1%），并通過整車級熱擴(kuò)散測試模擬周邊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

為提升動(dòng)力電池安全性能，一方面，通過材料創(chuàng)新，如采用高鎳低鈷或無鈷正極材料，減少熱失控風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱管理系統(tǒng)，確保電池在各種工況下安全運(yùn)行。中科院電工所研究員王麗芳強(qiáng)調(diào)：“電池管理系統(tǒng)的智能化發(fā)展對于提升電池安全性能至關(guān)重要。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電池狀態(tài)，預(yù)測并預(yù)防潛在的安全隱患，可以有效降低電池安全事故的發(fā)生率?！蓖觖惙荚谘葜v中表示，智能化電池管理系統(tǒng)集成高精度傳感器和先進(jìn)算法，能實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的溫度、電壓、電流等關(guān)鍵參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在安全隱患。此外，多層次安全防護(hù)體系的建立，如電池包的熱隔離、防火設(shè)計(jì)等，也提高了電池安全性能。

云山動(dòng)力董事長袁定凱從大圓柱電池角度提出革命性方案。"全極耳設(shè)計(jì)將電子遷移距離從1-2米縮短至80毫米，通道數(shù)提升千倍，內(nèi)阻降至1.5mΩ——這是實(shí)現(xiàn)10C超充的基礎(chǔ)。我們通過切/折/卷工藝解決極耳焊接粉塵難題，4695電池在-40℃仍可放出60%容量，熱電分離設(shè)計(jì)使單體熱失控時(shí)定向泄壓，模組級熱蔓延測試實(shí)現(xiàn)'零引燃'?！痹▌P說。

快充技術(shù)對提升新能源汽車用戶體驗(yàn)意義重大，在消費(fèi)終端已成為重要賣點(diǎn)。但快充技術(shù)依然存在電池老化加速、充電設(shè)施不足等挑戰(zhàn)，針對此，行業(yè)內(nèi)正積極尋求解決方案。

一方面，通過技術(shù)創(chuàng)新提高電池快充性能和循環(huán)壽命。例如，采用高倍率充放電材料和優(yōu)化電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池在快充條件下的高效、安全運(yùn)行?！安寤靹?dòng)力電池技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，不僅提升了新能源汽車的續(xù)駛里程，也為快充技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持?！睂幍聲r(shí)代未來能源研究院副院長劉明輝說。

而中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心（天津）副總工程師樊彬則提出充電兼容性核心解決方案：“我們建立了虛擬場站測試覆蓋98%充電樁故障場景，'六芒星指標(biāo)'量化充電耗時(shí)與功率波動(dòng)。CCTA認(rèn)證（如'兆瓦充電之星'）推動(dòng)車企優(yōu)化V2G電網(wǎng)交互策略?！?/p>

燃料電池性能、系統(tǒng)、場景的協(xié)同躍升

燃料電池具有高效、環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)，但截至目前，尚未解決成本問題，這直接導(dǎo)致商業(yè)化進(jìn)程緩慢。國家電投氫能公司總經(jīng)理陳平指出：“隨著國產(chǎn)化進(jìn)程的加速，燃料電池的生產(chǎn)成本有望進(jìn)一步降低，從而推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用?！标惼浇榻B，通過材料創(chuàng)新和技術(shù)優(yōu)化，能夠顯著提高燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率和耐久性。例如采用新型催化劑和質(zhì)子交換膜材料，降低內(nèi)部電阻和能耗；優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高散熱性能和穩(wěn)定性。降本的核心則是推動(dòng)燃料電池核心零部件國產(chǎn)化進(jìn)程，降低生產(chǎn)成本。當(dāng)前，燃料電池核心零部件如催化劑、質(zhì)子交換膜等依賴進(jìn)口，導(dǎo)致成本較高，加強(qiáng)自主研發(fā)和國產(chǎn)化替代，可有效降低成本，提高市場競爭力。

燃料電池系統(tǒng)集成度和智能化水平直接影響其性能和可靠性。當(dāng)前，燃料電池系統(tǒng)正朝著高度集成化和智能化方向發(fā)展。通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)集成度，降低成本，提高效率。同時(shí)，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的智能控制和故障診斷。北京航空航天大學(xué)助理研究員曹瑞認(rèn)為：“端云融合的動(dòng)力電池智慧管控技術(shù)為燃料電池系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供了新思路。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測燃料電池狀態(tài)，預(yù)測并預(yù)防潛在的安全隱患，可以有效提升燃料電池系統(tǒng)的安全性和可靠性?！敝悄芑剂想姵叵到y(tǒng)集成高精度傳感器和先進(jìn)算法，能實(shí)時(shí)監(jiān)測燃料電池的溫度、壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在安全隱患。此外，通過云端數(shù)據(jù)分析，可對燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)整，提高運(yùn)行效率和可靠性。

與此同時(shí)，燃料電池應(yīng)用場景正不斷拓展和多元化。除傳統(tǒng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域外，在分布式發(fā)電、軍事、航空航天等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，燃料電池汽車以零排放、長續(xù)駛里程等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車重要的發(fā)展方向。陳平提到：“燃料電池在能量密度提升上，氫作為能量密度，特別是質(zhì)量比能量，它未來的應(yīng)用還是有優(yōu)勢的?！?/p>

隨著技術(shù)進(jìn)步和成本降低，燃料電池在更多領(lǐng)域的應(yīng)用將成為可能。在分布式發(fā)電領(lǐng)域，燃料電池可作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，為家庭、商業(yè)建筑等提供清潔、可靠的電力。在軍事領(lǐng)域，燃料電池因體積小、重量輕、噪聲低等特點(diǎn)，適用于軍事通信、偵察等特殊場景。在航空航天領(lǐng)域，燃料電池可作為航空航天器的輔助電源，提高能源利用效率。

動(dòng)力電池與燃料電池在技術(shù)上具有一定互補(bǔ)性。動(dòng)力電池具有高能量密度和快速充放電能力，適用于短途、高頻次出行場景；燃料電池具有高效能和長續(xù)航里程優(yōu)勢，適用于長途、低頻次出行場景。將二者進(jìn)行技術(shù)互補(bǔ)與融合創(chuàng)新，可滿足不同出行場景需求。例如，在混合動(dòng)力汽車中，可采用動(dòng)力電池與燃料電池的組合方式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)?！按髨A柱電池標(biāo)準(zhǔn)化型號可覆蓋混動(dòng)車型50~100Ah需求，解決6000種電池包售后難題。在800V高壓平臺(tái)上，80-100度電重卡采用100Ah電池，其高功率特性（6C持續(xù)放電）與燃料電池長續(xù)航形成完美互補(bǔ)?！痹▌P說。

基于此，與會(huì)專家認(rèn)為，動(dòng)力電池與燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與資源整合對推動(dòng)協(xié)同發(fā)展具有重要意義。二者產(chǎn)業(yè)鏈均涵蓋原材料供應(yīng)、電池制造、系統(tǒng)集成、應(yīng)用市場等多個(gè)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)之間的合作與協(xié)同，可實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補(bǔ)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。