2024中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望报告

2021-2040：推动我国新能源全方位革命，探索产学研全新模式与零碳系统解决方案 技术进展与前景展望中国动力电池发展历程、 1.发展历程 2.技术进展 2.1电动汽车应用与安全电池2.2人工智能革命与智能电池2.3材料体系创新与固态电池 3.前景展望 中国动力电池发展历程 2010-2024：动力电池比能量从100Wh/kg提高到300Wh/kg：动力电池成本从大于4元/Wh下降至低于0.5元/Wh。 中国动力电池发展历程 中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望 1.发展历程 2.技术进展 2.1电动汽车应用与安全电池 2.2人工智能革命与智能电池2.3材料体系创新与固态电池 3.前景展望 电动汽车与电池安全 电池单体热失控与抑制技术 揭示高比能量三元电池热失控全过程机理，确定热失效化学反应调控的关键靶点。 电池单体热失控与抑制技术 研究高镍三元电池热失控抑制技术，提升电池本征安全 电池单体热失控与抑制技术 开发高安全电解液+原位固化技术，实现比能量为360Wh/kg的动力电池热失控特征温度T2提升49°C（至248C），并通过170C-30分钟热箱测试 电池喷发与热失控蔓延机理 开展高压系统电弧测试与防护技术研究，发现“颗粒物诱导击穿电弧”是使得某些原本良好的电气绝缘条件变得不安全的主要诱因。 电池热失控颗粒物填充电极间隙，大幅降低所需击穿电压值 电池喷发与热失控蔓延机理 提出电弧防护理论与设计方法：为防止电弧触发热失控，提出了基于颗粒物诱导电弧防护设计Map图的防护理论与设计方法。 热蔓延与热防护 热蔓延与热防护 车用电池系统先进热管理设计新方法：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。 颗粒物沉积可诱导电弧发生，破坏电池系统原有防护结构 热蔓延与热防护 电池包热失控蔓延抑制技术：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。 高安全电池系统设计 国家标准规定动力电池热蔓延后不起火、不爆炸 2024年5月工信部领布新建议《电动汽车动力电池安全要求》基于现有热、烟气、电气设计体系进行安全防护，技术上可以实现上述规定（比能量小于300瓦时/公斤） 高安全电池系统设计 国内典型高安全电池系统：三元CTP麒麟电池系统 2022年8月29日CATL发布麒麟电池，将电池系统隔热垫、水冷板、横纵梁三合一组成多功能弹性夹层，简化结构、加强热管理， 采用高比能量三元电池，使电池系统比能量达到250瓦时/公斤： 中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望 1.发展历程 2.技术进展 2.1电动汽车应用与安全电池 2.2人工智能革命与智能电池 2.3材料体系创新与固态电池 3.前景展望 智能电池智能化：挑战和机遇 电池仿真和设计自动化 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%。 注：某头部动力电池企业2022年电池研发费用约为155亿元其中约64亿为材料费，61亿为人工费， 电池仿真和设计自动化 开发多尺度表征和仿真平台：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。 电池仿真设计和设计自动化 建立中国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。 服务130+家国内外专业客户，完成700+套仿真设计方案 电池智能制造和设备 开发电池智能制造设备，实现电池大规律制造技术突破，具备PPB级别产品缺陷率、全生命周 期电池产品可靠性、TWh级别超大规模高质量交付能力 复合叠片优势：界面均匀、高效，踢出缺极片、材料利用率高 电池智能制造和设备 通过过程仿真和产线大数据分析，显著提升制造效率 电池智能管理 开发出基于AI模型的电动汽车电池状态估计平台2.0 基于人工智能的电池管理系统 开发出基于AI模型的电动汽车电池状态估计平台2.0 ·大模型PERB2.0实现了安全预警和SOH估计；大模型PERB2.0已在全国30+城市实现应用落地 智能膜电极和智能电池 开发长寿命智能膜电极：汽今为止，长寿命参比电极的开发是一个极具挑战性的课题 清华PSG团队方案 国际研究现状 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 传统参比电极采用铜丝镀锂方案，循环性能差，并且具有阻隔效应：目前最先进的参比电极循环寿命在300圈左右。 ★通过采样电路设计，减小漏电流，将参比电极寿命提高到100圈J. Power Sowrces. 2022. 231953 ★通过表面包覆，将参比电极寿命提高到300圈。Adv: Energy Maler. 2024, 2304502 智能膜电极和智能电池 系统性研究智能膜电极老化机理，针对性设计和使用，开发出长寿命（现有水平的3倍以上）的参比电极。 ◆植入参比电极电池：实现了超过1000个循环的稳定负极电位监测，总工作时间超过了8个月（6000小时）电池容量保持率94% 进一步证实了：智能膜电极的植入对电池衰减无影响。即实现了无损植入。 智能膜电极和智能电池 智能电池技术样品开发与应用 与蜂巢能源合作量产化方壳电池的智能膜电极产线植入验证与BYD合作智能电池快充、安全预警功能开发。 中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望 1.发展历程 2.技术进展 2.1电动汽车应用与安全电池2.2人工智能革命与智能电池2.3材料体系创新与固态电池 3.前景展望 材料体系创新与全固态电池发展趋势 中国全固态电池技术路线研讨会 作为全球锂离子电池行业的领导者，中国汽车和电池行业非常重视全固态电池的研发2024年6月1日，全固态电池技术路线研讨会在北京举行，来自全国80家单位的160余名代表展开深入研讨与交流。 材料体系创新与全固态电池发展趋势 第一步：重点攻关固态电解质 2025：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：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 ◆第二步：重点攻关高容量复合负极 >2030：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：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）。 第三步：重点攻关高容量复合正极 >2035：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：以700Wh/kg为目标，发展锂硫和锂空气电池。 固态电解质技术现状 在各种固态电解质中，硫化物电解质技术成熟度最高，复合电解质技术潜力巨大：硫化物具有与液体电解液相当的高离子电导率，是短期内开发方向，并逐步向复合电解质（主导电解质+补充电解质)发展。 固态电解质技术现状 硫化物固态电解质：结合粘结剂设计改性、溶剂适配和粒度匹配，研发了高机械强度的自支撑硫化物固态电解质膜，厚度超薄至25um，并在软包电池体系中实现了验证。 固态电解质技术现状 ■硫化物固态电解质：揭示硫化物固态电解质两种热失效机理，发现LGPS/LPSC具有高热稳定性 材料体系创新与全固态电池发展趋势 ◆第一步：重点攻关固态电解质 >2025：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：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。 第二步：重点攻关高容量复合负极 2030：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：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）， ◆第三步：重点攻关高容量复合正极 >2035：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：以700Wh/kg为目标，发展锂硫和锂空气电池。 复合负极技术现状 硅碳复合负极：硅碳负极材料的创新合成工艺 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 复合负极技术现状 硅碳复合负极：通过采用高锂离子导率、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 应用于硫化物全固态电池的硅碳负极材料实现高首次放电比容量为1500mAh/g； 首次充电比容量为1350mAh/g，首次库伦效率高达89%在0.5C倍率下1000次循环后硅碳负极材料保持高容量保持率为82% 复合负极技术现状 材料体系创新与全固态电池发展趋势 ◆第一步：重点攻关固态电解质 >2025：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：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。 ◆第二步：重点攻关高容量复合负极 >2030：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：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）。 ?第三步：重点攻关高容量复合正极 >2035：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：以700Wh/kg为目标，发展锂硫和锂空气电池。 材料体系创新与全固态电池 产学研协同构建中国全固态电池技术创新平台（CASIP）： 2024年1月21日，由欧阳明高院士牵头，院士专家，领军企业、知名高校、研究机构，及地方政府联合发起，建立了中国全固态电池产学研协同创新平台（CASIP）。 中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望 1.发展历程 2.技术进展 2.1电动汽车应用与安全电池2.2人工智能革命与智能电池2.3材料体系创新与固态电池 3.前景展望 中国动力电池前景展望：双轮驱动 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 中国动力电池前景展望：纟绿色发展 典型减排技术潜力评估（评估基准：NCM811方形电池） 电池回收再生：①物理回收减排超过50%：②湿法回收减排32%；③火法回收减排3.5%绿电比例提升：①2030电力结构背景下碳排放降低12%：②2050电网深度脱碳背景下，碳排放降低75%； ③100%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 中国动力电池前景展望：产业转移