创新 • 创优 • 创见
以“未来汽车动力与能源之辩”为主题的2019上海电化学能源器件工程技术创新论坛于2019年12月15日在上海举办。论坛围绕当前新能源汽车产业发展中的热点话题，从先进动力电池、燃料电池、氢能制备与储运、到甲醇燃料及氢电混合动力系统各抒己见，为我国新能源汽车的发展献计献策，共同推动我国新能源汽车技术进步。
会上，中车新能源科技有限公司总工程师、宁波大学教授阮殿波发表了主题演讲，以下为演讲实录：
谢谢组委会的邀请，我们也是想从汽车本身来解决一些问题。我本人一直做超级电容器，做了二十几年，我想能不能从这个角度来讲一讲。
我们知道汽车电动化这个趋势是不可阻挡的。那么另外一点，当然全球有很多的时间表、规划，实际上这里有几个问题，有一些痛点的事。
第一是现有锂电池的问题，充电时间特别长，达不到分钟级的充电，充电不能像加油一样方便，这是一个非常大的痛点，用户体验不是特别好。
第二个问题，全生命周期成本及性能无法保障，最高的电池能用多少年？一般的家庭乘用车还可以，运营车辆的话，王总刚才也提到，是一个很大的问题，全生命周期会有储能器件，带来成本会很高。
第三个问题，目前的储能电池低温性不是特别好，一般来讲铁锂的话是零下10度，再往下估计放电就很困难了，三元的话过了0度也很困难。那能不能做到零下30度，零下40度可充可放？这一点也是一个痛点。要解决这些问题，用电池本身的技术好象没有什么特别好的方法。
我们有这么一些指标看能不能实现，第一是能量密度争取做到120—150Wh/kg，当然这个不是很高，现在我们知道的铁锂大概能做到150—170Wh/kg，我们接近铁锂的水平。第二个功率密度，一般的电池是1个千瓦/公斤的水平，我们能把它提高到7—8个千瓦/公斤，这样的话可以在5分钟内充满。第三个续航寿命问题，现在的电池我们测试过程中，好一点的可以测到8000次、10000次，主要看什么条件测的，多大倍率测的，我们能不能用10C、20C的情况下，有5万次的充电循环，这样的话实际上有很好的应用。还有一个是低温特性，零下20度以下做到可充可放，那么实际上现在做的好一点的可以做到零下30度、40度，这个也是没有问题的。
要实现这个想法，途径大概是这样的途径，我们知道这里有两个器件，左面是锂离子电池，右面是超级电容器，对比了四个方面的差别。首先，能量密度上，我们知道锂电160—250，不管哪个体系，大概是这么一个能量密度，非常高。而超级电容器，目前大概是5到10Wh/平米，差异非常大，几倍的差异。除了一点，我们看另外三个指标，其他指标好于电池，第二功率密度非常高，现在做到18个kW/kg现在最好做到能100个kW/kg，也没有问题，所以它可以实现秒级充电，我们这边知道一般的快充，40分钟，一个小时，满充几个小时。而且快充的话，对电池本身的寿命的影响是非常大的。第三个是循环寿命，一般的话电池500到3000次，超级电容器可以做到100万次，因为它是基于物理属性。最后一个是低温性能差别很大，超级电容器零下40度的时候，所有的指标几乎是没有变化的。我们再想，能不能从材料级别、体系级别构建一个新型的电池？我们把这个电池叫做超快充电池，就是红色部分画的。
看一下指标，刚才大概讲了一些情况。从铅酸、到钛酸锂，到磷酸铁锂来比较，我们看它的综合指标优势明显，它可以3分钟充满，零下20度，还可以很好的使用。其他的电池必须接近的是钛酸锂和磷酸铁锂，钛酸锂有一个问题能源密度比较低，铁锂也有很大的问题，虽然说价格稍微低一点。我讲的QCB电池成本相对比较低。
那么实际上，目前哪些公司正在做？三星公司现在出了两款电池，基于刚才讲的体系，有一点不一样，这个电池其中给奥迪做混合动力用的，已经批量。国内有一家炒作比较大，产品没有做，寿命比较低。
从材料级别构建的话，大概是这么一个情况，左面是超级电容器储能原理，我们看是通过电子与离子吸附来进行存储，这种储能是物理储能，所以基本没有化学反应，有一点点化学反应是化学副反应，我们不希望的。右面是通过Li的脱嵌和插层里实现的，那么我们能不能考虑在正负极上把这两种材料做在一起？但是我们要选择材料，因为不同的材料，包括超级电容器也是一样，它的电压体系不一样，我们看有一个是合适的。正极用三元材料，通过一种技术能够烧结在一起，它俩的电压体系是一致的，单体对外工作电压是2.7伏，正畸是4.1或者是4.2伏，几乎是类似的。这样的体系，容易在充电过程中，材料本身性能能保持稳定。
那么这样的话，在正极上既有Li电储能，又有超级电容的储能，实际上可以调控比例。调控比例的话，就可以调控刚才讲的这几个主要指标，看这些指标的特性。同时如果这样的话，器件兼顾了锂电的高能量密度，以及超级电容器的高功率密度。
我们做了几个这样的器件进行测试，我们看到在快充情况下都没有问题可以做到30C，做到100C也没问题，做到20C的情况下，看一下充电时间。完全充满情况下是10分钟，3C是5分钟，前面的时间非常短，实际上真正要用的话，大概是5到8分钟的时间就可以充满。
那么这块测试性能定位性能还有对立性能，现在看这两个曲线，从2.4V到2.7V，我们看这个曲线的话，完全是一个超电曲线，因为横流情况下超级电容器是一条直线这个是电容的特性。我们知道三元材料本身要放电的话，实际上到3V左右是掉下去的，我们可以拉直，这样的话把电压使用范围拉宽。一般来讲我们选2.7V和2.8V，那么是完全的一个很均匀的一条直线。还有一个看倍率情况非常好，保持性能非常好，那么20C的情况，相对保持92%的能量，非常好的保持特性。那么在放电过程中一样，零下20度的时候，放电也很好，这个PPT比较早，现在是应该是80%左右，也是一个非常好的情况。
那么再看寿命，做了两种测试，一种测试在20C连续充放，充3分钟放，连续的放，这个是比较恶劣的充放在没有散热的条件下，大概是做了显示，做到了2万次，大概将近有90%的容量，实际上是非常恶劣的条件，很多的电池用20C很难实现，本身产热就非常大。
还有把出口稍微窄一点点，做到3V到3.8V的情况下，在20C没有到30C的情况，达到18万次的时候，实际上它的容量保持率还有90%，所以寿命非常长。利用超级电容器本身的多孔材料的参与，超电本身的性能会把寿命做的很长。
这个是做了一些软包的器件，包括一些小模组。也做了一些圆柱的和1860、2170这些电池，那么这些快充电池，也可以跟三星、LG谁上比较好的这些产品对比。怎么对比？就看温升怎么样，同样不同的倍率下，测它的温升差异非常大。我们看温升的情况，如果是超容电池的话，就是底下最低的一条，它的温升一般来说是10度左右，这个是非常高的情况。
你看对一个单极电池，如果是三星和LG的，非常高，整个下来的话，温度从室温大概20到30度上升到65度，所以差别就很大了，所以很难用在快充上，而这个电池可以用在快充上。
这些电池做的话，实际上还是想把它做一些应用的，大概有几点，最好的应用第一个是用在物流车上。第一个应用我们知道去年最火的是ETC，用这种技术做了很多小型的电池，用在ETC上。它就是短时高功率通讯用的，用量很大，做了几千万只产品，半年左右的时间，现在还在做，所以它第一个是用在ETC上。我们知道ETC用的话，肯定不是用一年，贴上去其实很难摘下来，摘下来再上去是非常难的。而且高温性非常好，放在汽车挡风玻璃上的话，夏天温度非常高，大概70、80度，它对温度的适应性没有问题。
第二个是三表系统，消费者类电子的，三表系统的话有远程抄表，物联网终端电源，那么这块的话，也是用它的高功率、长寿命、低温优异性的情况，包括一些执行机构，包括关水阀什么的都可以，这个是民用的。
动力性，用在物流车上，目前在改一台物流车，在用超级电容器电池，我们设计的是250公里，用超快充电池。那么250公里的话，可以实现快充，也不用人来充电，因为我们知道物流车运营效率非常高，几乎不停，换司机不换车，这个车，今天白天一个人开，晚上一个人，吃饭的时候10分钟去充电，充满后剩下的时间它一直在工作。我们知道电池寿命也很长，这样的话全生命周期，比如说这个车用8到10年的话，绝对不用换电池。
还有动力拖车和港口的作业机械过现在有一个要求，可能在5到6年内，因为环保和排放要求，我们很多的工程机械，包括港口作业机械要求代替，原来的纯柴油机改成电动化，找不到一个电池用的。铅酸电池体积重量非常大，用铁锂的话，据工程机械的人讲，铁锂的话一般坚持不到一年半，这个电池就要换掉，成本低也没有用。现在在做这个事情，这个电池非常合适，功率性特别好。
第二，卖寿命。寿命特别长，特别适合工程机械，因为我们知道工程机械市场非常大，有万亿市场。
第三，在一些电动车上能不能单次充电能跑250公里，这样的一个情况，分钟级充电。当然这个市场真的做起来比较难，补贴的问题，其他的问题也都很难。当然，我觉得燃料电池和混合动力，燃料电池就是一个发电极，后面加一组电池，这个电池可以选择。
实际上这个电池抗过载能力非常强，后期工况输出非常复杂，做车的人都知道，工况输出非常复杂，对电池冲击很大，尤其是制动的时候，这个能量的回馈，如果电池效率非常高，制动回收效率非常高，环境适应性更好的话，在混合动力上还是非常好的。燃料电池或者是混合动力都可以，作为一个搭配。
还有刚才说的48V，这个事情也是很好的借鉴，如果用超级电容器电池的话，还是有很好的特性，一个是讲制动能量的回馈，那么制动能量回馈的时候，就是我们很好工业节能，包括电池有很好的应用。
以上就是我的分享，谢谢！
