歐陽明高動力電池

歐陽明高：動力電池結構創新活躍，燃料電池產業化突破

第一電動大牛作者電動汽車觀察家 2021-01-18 13:15

中國科學院院士歐陽明高

“（如果說有動力電池）能跑1000公里，又能幾分鐘充完電，而且還特別安全、成本還非常低，大家不用相信，因為這在目前是不可能同時達到的。”

中國科學院院士歐陽明高在中國電動汽車百人會論壇（2021）云論壇上說道。

在歐陽明高看來，近些年動力電池材料領域創新并沒有大幅提升，電池企業的創新主要集中的結構層面，當然在改善低溫性能及熱失控方面也有諸多新技術。

燃料電池近年來也取得了產業化突破，未來10年左右燃料電池系統成本有望下降80%。

儲能方面，電池是中小功率短周期，大規模長周期要靠氫。

此外，歐陽明高還指出，商業目的運營車輛適合換電，私人乘用車長期來看，還會以充電為主。

動力電池技術創新活躍

在歐陽明高看來，近年來，由于安全問題的限制，三元電池比能量沒有大幅增長。因此，行業轉向電池結構創新。

（1）動力電池結構創新

電池結構從355模組和590模組，進一步到寧德時代的 CTP(無模組)、比亞迪的刀片電池，以及近期國軒高科JTM（Jellyroll To Module，即從卷芯到模組）其系統比能量和體積存儲效率都有明顯提升，使得原先磷酸鐵鋰電池難以應用到轎車上的問題基本得到解決，甚至可以做到600公里。

歐陽明高認為，進一步發展，可能還有電池包直接在車輛上（刀片電池）或者單體直接到車輛上，都有待進一步研究，創新潛力還比較大。

（2）改善低溫續航創新多

電芯在低溫下的性能明顯下降，同時制熱比制冷能耗更大、動力系統效率降低、soc精度下降等問題，導致電動汽車用戶在冬季用車體驗明顯變差。

為了解決電動汽車低溫帶來的負面問題，企業做了一系列技術優化，包括電池熱管理系統的能效優化、改善熱泵空調低溫下的效能、電池熱管理系統的能效優化，包括 PTC加熱、熱泵空調、電機激勵加熱等。

電池熱管理系統的能效優化方面，歐陽明高認為，目前PTC加熱需要進一步改進，云端控制提前預熱。

熱泵空調在低溫下的效能方面，歐陽明高也認為需要進一步增強，例如通過補氣增焓，提升低溫效能。

電機激勵加熱方面是一個很好的方案，但歐陽明高認為其噪聲較大，加熱速率每分鐘3°C度也不算高。“現在有改進技術，可以使得加熱速度提高到每分鐘8°C。”

第三個是充電場景下電池的插槍保溫和脈沖加熱。歐陽明高解釋道，目前大家回家充電才插槍，充完電就拔掉，但是后續為了有序充電，插槍并不一定充電，是到后半夜才充電。

另外還有車與電網互動（V2G），往電網回饋電，就是反向充電，這些都要求充電樁一直跟車保持相連，這就為插槍保溫帶來方便，也就出車之前提前半小時用電網電對車加熱。

此外具備雙向充電功能的快充樁，可以對電池進行脈沖加熱。這方面技術創新是活躍，低溫續航縮水問題會逐步得到緩解。

（3）熱安全解決途徑走在世界前列

在歐陽明高看來，動力電池的熱安全問題雖然還沒有徹底解決，但是在一定程度上得到抑制。總體看，中國動力電池安全問題研究早，相關科學和技術是走在世界前列。

動力電池安全主要分為三個層面：本征安全、被動安全和主動安全。

所謂本征安全就從單體電池的熱失控機理著手，從材料層設計和制造的角度加以解決。

所謂被動安全在某一個單體電池熱失控之后，用系統熱管理的辦法，也就是隔熱和散熱的辦法，讓電池包不燃燒。

“現在法規要求是5分鐘不起火，將來會提升到半小時，現在中國已經領先企業發布了不燃燒的電池包，這也是我們重要技術進展。”

歐陽明高提到，主動安全中智能管理與充電控制也很重要，例如利用云平臺、大數據進行提前預警，這是整車企業必須要練就的核心技術，“目前領先的廠家，已經完全可以做到，現在正在推廣普及中。”

歐陽明高特別指出，不要指望換一種新電池后所有的安全就徹底解決，安全都是相對的，都是由安全技術保障的。

燃料電池獲得產業化突破

（1）功率密度、冷啟動溫度、壽命等都大幅改善

近年來，燃料電池技術取得重大突破。例如，現在的性能跟5年前相比，壽命提升了300%。國產燃料電池零部件的產業鏈已經建立，系統集成能力大幅增強，頭部企業正在形成。

（2）十年內燃料電池系統成本下降80%以上

下一步的工作重點，是要在10年內，將燃料電池系統的成本下降80%以上。路徑類似于鋰離子電池，整體滯后10年。

歐陽明高指出，目標是將燃料電池系統成本從2020年的5000元/千瓦，下降到2030年600元/千瓦。

另外，很重要的一個就是車載儲氫的成本。歐陽明高預測，儲氫成本預計會比燃料電池下降得慢一些。現在國內已經投產塑料內膽碳纖維纏繞的700大氣壓車載高壓儲氫瓶，目前成本很高，預計到2025年儲氫瓶成本3000元/公斤。

根據氫能燃料電池的技術路線圖。2025年目標是推廣5-10萬氫燃料電池車；2030-2035年實現80-100萬輛應用規模，這都是以商用車為主體。

歐陽明高表示，在這個情況下，氫需求量到2030年大概300萬噸左右，這個可能比之前預期的低一些。如果主要是轎車，幾十萬噸就夠了。

不過，加氫站的數量可能比之前的預測的要多一些。“因為加氫效率比加天然氣要低，氫是最輕的一種氣體，只是天然氣密度的1/8。”

歐陽明高認為，當前氫燃料電池汽車發展還面臨一些挑戰，比如說氫燃料產業鏈自主化程度與技術水平和燃料電池還有差距，電解綠氫技術、氫儲運技術、氫安全技術還需要改進提升，氫燃料的成本總體偏高，這是今后5-10年必須努力解決的。

光儲充換多能互補

要打造可再生能源提供為主的能源體系，必須要有儲能。

歐陽明高認為，短期儲能可以依靠電池，長期儲能必須要靠氫。所以兩者組合才能構成一個完善的儲能系統。

（1）鋰電池短期儲能潛力巨大

現在受到電動汽車市場拉動，動力電池需求大幅上升。樂觀估計，2025年中國電池的產能就會達到年產10億千瓦時，成本會持續的下降，以鋰離子電池為代表的動力電池正在成為分布式短周期小規模可再生能源儲存的最佳選擇。

“如果我們有一億輛電動汽車，那么車上的電池就是50億度，儲能潛力巨大。但同時我們要看到充電的功率巨大，但耗電量并不是很大，這是我們要注意的特征。”

歐陽明高舉了一個極端的例子，如果中國3億輛乘用車全部改成純電動，每輛車平均65度電，車載儲能的容量200億千瓦時，與我們中國每天消費的總電量是相當的。

如果10%的電動車按照50千瓦的中等速率同時充電，那么3億輛車的充電總功率就是15億千瓦，與全國電網總裝機的功率相當。也就是說，電力系統功率全都要給電動車充電了，這是不可能實現的。

“如果按平均每輛轎車年行駛兩萬公里，三億輛車每天消費電量大約是20億千瓦時，占比總消費量10%，這是完全可以接受的。”

大規模電動汽車推廣的優點是儲能潛力巨大，問題是充電功率也巨大。歐陽明高認為，要趨利避害，首先利用儲能潛力來抑制電網的波動。所以必須通過有序充電、車與電網雙向充電、儲能放電、換電池和充換電一體化等智能充電方式將充電功率大幅收窄。

歐陽明高認為，對于商業目的的乘用車，如共享車、出租車，換電是不錯的商業模式。不過換電最佳使用場景可能還是電動中重卡。

這種中重卡可以使用充換一體化快速能源補給站，轎車超級快充、中重卡快速換電，兩者合建。重卡的電池容量大大超過轎車，換電的備用電池包可以給轎車放電，提供快充，形成互補。最終的形態將是“光-儲-充-換”多能互補的微網系統。

歐陽明高認為卡車換電從經濟賬來看完全可以算過來。

例如高速公路的中重卡，只需三五分鐘，車電分離、電池租賃，電池由電池銀行持有，大的電池銀行電池用電量大，負荷預測準，可以在電力交易中拿到低電價。同時大量的購買電池也可以壓低電池價格。另外全生命周期管理電池，可以使電池壽命增長、梯次利用。

不過，高速公路長途必須要有超快補電的措施。去年，中日兩國合作制定的大功率快充新標準——超級充電標準，中電聯預計2025年可以全面提供超充服務。

歐陽明高支持，根據他團隊的研究表明，對一個續航里程600公里的車5分鐘應急補電充200公里（也就是電量增加1/3）是完全可行的。

對于私家乘用車，歐陽明高還是看好充電，他認為基于車網融合和大功率快充技術的發展前景以及電池底盤一體化設計趨勢，充電更劃算。

（2）長期儲能，儲氫最佳

當然，集中式可再生能源大規模長周期存儲，儲氫是最佳途徑。

對此，歐陽明高給出了四個理由。

第一，能源利用的充分性。氫能大容量、長周期儲能模式對可再生電力的利用更充分。有些電力電池儲不了，例如四川的季節性水電，只有氫能儲得了。所以說制氫的電價比充電的電價便宜是有可能的。

第二，規模儲能的經濟性氫能比電池好，車下固定儲氫大概比儲電成本上大約要低一個數量級。

第三，與電網基礎發電電源的互補性。氫能可作為大容量、長周期、高功率靈活能源使用，如用于燃料電池發電，或者用于大型氫燃氣機發電。大電網不可能全是風電、光伏。

第四，氫的制、儲、運方式靈活。我國的大規模集中式可再生能源基地在新疆、內蒙、寧夏等西部偏遠地區，這些地方的氫能需要千公里以上長途輸運。

同時綠氫的輸送通道和特高壓電輸送通道是重合的，發揮超高壓輸電的中國優勢，開展長途輸電當地制氫也是一種選擇。這兩類方式從儲能角度沒什么太大差別，關鍵是誰的經濟性更好。

歐陽明高分析認為，比較發現長途輸電當地制氫方案總體看是有一定優勢的。按電力專家介紹的特高壓千公里輸電成本為8分錢/度電為基準計算，當可再生能源發電在0.1元/千瓦時左右時，可以大致實現加氫槍出口價格30元/kg左右的目標，與柴油比具有價格競爭力。這樣一來就形成一種中國特色的長途輸氫方案，而且利用了我國的能源互聯網優勢。