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锂离子电池生产需自动化 钛酸锂电池或逆袭

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发表于 2016-10-20 14:50:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
  新能源汽车的发展离不开动力电池的进步。经过多年发展,中国已形成从上游资源开发,到中游生产设备制造,再到下游锂电池应用的完善锂电池产业链,但电池成本高、能量密度低、续航里程短等难题依然待解。

  中国与国际上其他国家相比,动力电池技术水平差距何在?电池自动化和电池一致性之间有何关系?哪种电池安全性更好?电池的回收利用前景如何?围绕上述问题,记者专访了山东玉皇新能源科技有限公司首席科学家、国家“千人计划”特聘专家薛嘉渔。

  锂电生产需要自动化

  中国能源报:您研究锂离子电池20多年,从国外到国内,您认为做好锂离子电池安全的根本是什么?

  薛嘉渔:锂离子电池发展至今已有25年了。前20年主要应用领域局限于小电器(手机、手提电脑等)。其安全性一直没有完全解决。近几年来,随着电动汽车的发展,锂电的发展进入了一个新的高潮。

  不少企业一窝蜂涌入这个行业。但是最后能存活下来的,一定是那些能够把品质做好的企业。要谈电池的安全性,首先要确保电池性能的一致性,否则电池的安全性就无从谈起。

  我们都知道特斯拉用的是18650电池,这是锂电界的行业标准,此前主要应用于手提电脑产品中。特斯拉用成千上万块18650电池组装在汽车上作为动力电源。这么多电池组装在一起,每个电池有2个焊线(正负极各一个),这样就会有大量的连接线头,其中任何一个焊接头松动就会造成这块电池丧失功能。为什么特斯拉要用18650电池呢?尽管这款电池不是专为电动汽车做的,但是18650电池是行业间最古老的产品,或行业标杆。它具有相对完备的安全防护体系和较佳的产品一致性。如果大容量动力单体电池能够做到18650的一致性,人们当然会采用大容量动力电池,这样就可以减少焊点数,提高可靠性。

  中国能源报:目前中国锂电池的使用寿命并不乐观,您怎么看?

  薛嘉渔:举一个简单的例子,中国张北的风光储输示范站,其中安装的储能电池,包含了国内知名的各锂电厂家生产的电池,经过4—5年的运行,其中电池差不多已经换了一茬了。这就是说,普通锂电池的寿命目前还是不能很好地满足储能应用的需求。这样的锂电用在一辆电动车上,要求5—8年内不替换电池是几乎做不到的。

  中国能源报:在动力锂离子电池领域,中国和国际上差距大吗?

  薛嘉渔:全世界的锂电生产主要在亚洲,在亚洲是三足鼎立局面——日、韩、中。中国和日韩技术上较大的差距主要是在自动化以及对电池化学扎扎实实的研究方面。此前,手机用锂电池的生产中国厂家无法与日韩相比,其中差距主要在电池生产的自动化方面。自动化电池生产出来的产品一致性通常优于手工或所谓“关键工艺部位自动化”的产品。产品一致性好,相对安全性就比较高。

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  现在随着动力电池市场的兴起,对产品一致性提出了比小电池更高的要求。这对于中国锂电企业的升级换代是一个推动,同时也是一线生机。中国政府大力支持电动车及储能是一大利好。中国锂电企业一定要抓住这次机会。在中国做动力电池,资金充裕,所以自动化锂电生产成为可能。

  中国能源报:电池的一致性和电池生产自动化之间有必然关系吗?

  薛嘉渔:这是肯定的。锂电生产需要自动化,而且是全自动化优于半自动。比如在半自动生产线电池的搬运过程中,电池可能不小心掉在地上,造成表面看不出来的内伤,会对电池的性能造成不可逆转的损害。锂电生产过程中,人是最可变的因素,但自动化机器在正常运作的情况下是基本不变的。所以只有自动化做锂电才能最大限度地提高产品的一致性。

  中国能源报:现在国家倡导工业4.0,自动化已经被很多企业所采纳。

  薛嘉渔:在自动化生产过程中,光有先进的设备不见得就能做出好的电池产品。比如从日本进口了全套设备,却做不出和日本同样质量的电池,必须有一支懂得如何使用自动化设备的工程技术团队。除此之外,公司上层管理人员的管理理念都必须改变。现在自动化生产的成本还是很高的。它可以高效地作出合格产品,也可以高效地做出不合格的次品。目前国内的厂家能做到全自动化生产或无人车间的企业并不多。中国不少大型企业、集团投资了很多钱上自动化生产线,投资并不是问题,问题在于是否有懂得如何建设、运行、维护自动化生产线等的技术与管理人才以及一套完备的公司体系。

  钛酸锂电池或将逆袭

  中国能源报:现在国内外常见报道一些电动汽车电池爆炸的案例,锂电领域哪种电池安全性相对较好?

  薛嘉渔:现在的钛酸锂电池是锂电中寿命最长、安全最高的电池。论生命周期,普通锂离子电池约为1000—2000次循环,钛酸锂则是1—2万次循环,是前者的10倍。此外,钛酸锂电池有优异的功率特性及高低温性能,唯一不足是能量密度偏低。此前,业内还担心钛酸锂电池的胀气问题,这一问题从技术上早已得到妥善解决。钛酸锂电池的批量生产技术也已成熟,只是很多锂电企业目前还没有真正掌握批量生产钛酸锂电池的技术要领。

  当然,片面强调钛酸锂材料的安全性也不对。整个电动车动力系统是一项系统工程,其中任何一部分没做好都能产生安全事故。

  中国能源报:那么钛酸锂电池的主要应用领域在哪呢?

  薛嘉渔:钛酸锂电池在新能源汽车中有一定的市场份额但不太容易成为主流产品,因其能量密度低。但在储能领域很有潜力,因其对重量的要求相对较低。如果我们考虑钛酸锂电池的全寿命周期低成本,这项技术还是很有吸引力的。对比现在的锂离子储能电池,大约3—5年换一茬,钛酸锂电池的寿命就算是其5倍,那就是15年。期间换电池的成本、停机调试维修、新旧电池混用可能产生的麻烦等,使用钛酸锂电池在这些方面的费用节省是很可观的。电池不管是用做汽车动力还是做储能,最根本的性能要求是一致性好、性价比高。

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  中国能源报:其他类型的电池呢,比如锂空电池、全固态电池以及石墨烯电池?

  薛嘉渔:现在锂空电池与全固态电池还有很多实验室的课题需要解决,距离产业化还有距离。石墨烯电池的所谓优越性能是有人将这种材料的某些特性通过理论计算后放大出来的,难以服人。

  回收利用难

  中国能源报:关于动力电池回收或梯次利用,目前业内对此看法不一。有人认为可以梯次利用,避免浪费,但也有人认为不具有可操作性。您如何看?

  薛嘉渔:坦白讲,我对梯次利用不太看好。原因是各家电池都不一样,一致性也不同,电池生产、使用的历史都不一致的情况下,要想把这些电池整合到一起利用绝非易事。

  中国能源报:没有办法对电池一致性进行测试吗?

  薛嘉渔:有,但很难!一致性好,是指全生命周期循环的一致性或动态一致性。具体地说,就是一组电池在实际的长时间使用期间内要求所有电池的容量和内阻保持一致,起码在一条狭窄的带内没有发散。但在现实情况中,一组电池在某一未知的时刻可能会有一块或几块电池发生不同程度的容量衰减或内阻升高。这样在充电时,同样对整组电池适用的平均电量就会对容量已衰减了的电池造成过充,这是可以造成起火或爆炸的安全隐患。所以,整组电池的充电量取决于最差的那块电池。

  电池组中每一块电池的一致性都很重要。要把很多不同使用历史、厂家生产日期、正负极原材料配方等都不完全清楚的电池放在一起使用,那可能是一场恶梦。尽管可以通过电源管理系统(BMS)做一些调控,但调控能力是有限的。旧电池的安全性是一个难以保证的课题。

  中国能源报:那用过的电池作为资源来回收呢?

  薛嘉渔:在之前锂电池回收中,主要有回收价值的元素是钴和镍。国家鼓励加强资源的回收利用,未雨绸缪没有错。随着产业规模的不断扩大,资源回收使整个锂电产业链形成一个闭环,是有利于产业的发展的。但从商业角度来说,回收利用是一项难以盈利的业务。国家可能必须对资源回收利用给予相应的补贴,或从产业链的某些高利润的环节扣留一部分利润来补贴电池回收企业,以保持锂电产业链对环境保护与和谐信息来源http://www.seekchem.com

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