2024中国动力电池发展历程、技术进展与前景展望报告

清华大学《新能源动力系统》产学研用团队 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 储能-氢能-智能 三位一体研发体系 张家口氟能研究院与创业企业群宜宾电池研究院与创新企业群 筹建国家氧能创新平台国家市场监管重点实验室（电池安全） 氢燃料电池与电解绿氢系统电池安全实脸室电池安全研究与新型电池开发 清华-丰田燃料电池联合研究中心 1.PEMFC/PEMEC 2.SOFC/SOEC 3.碱性电解与氧储能 中美电动汽车国家级联合研究中心鄂尔多斯新能源研究院 1.被动安全与高安全电池 2.主动安全与智能型电池 3.本征安全与全固态电池 玉际氧能燃料电池协会理事长中国全固态电池产学研协同创新平台理宇长 智能动力与智慧能源系统 中国换电重卡联盟秘书长 1.分布式驱动系统与特种动力 2.超级快充/快换耦合补电系统 3.光-储-氢-充-放车网互动系统 大湾区车网互动联盟理长 南京智能动力创新中心与创新企业群深圳智慧能源创新中心与创新企业群 （长三角国家技术创新中心新能源动力研究所）（住房与城乡建设部低碳建筑创新中心） 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。 1100 1000 900 结构创新 2013年前20158，2018年起，三元电池比能1000km 三元动力电元电池工业化解量提升乏力，行业转尚新 4 800池未产业化，结构设计 续航里程无始爆发 700 600 208 100 法有效提升 三元 铁锂大型轿车A大星SUV 口中大墨轿车V中大型SUV 400 300 最大续航里程/km 20182019 O中型轿车200 冷累漫强轿车<中型SUV 小壁轿车公紧型SUV100 XX微型精车D小SUV 1 电池能量密度Wh/kg 0102030405060708090100110120130140150160 电池包能量/km DataSource:D1EV.com5 中国动力电池发展历程 2000-2030：动力锂离子电池30年的创新周期 新材料创新 数字化增效 2020-半固态电池 2030-全固态电池 Anode 新材料创新 Cathode 动力化落地 2000-混动汽车电池 2010-纯电汽车电池 2010-电池管理系统 2020-AI大模型 第二个10年 第三个10年 1990s-锂离子电池第一个10年 2000-铁锂、三元电动汽车应用与安全电池 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 热失控诱因热失控触发热失控蔓延 电池热失控过程 auaMatar.2ol8 电池热失控测试与表征技术 设备 SYS, 三相混合射流定客压力 ZL201910641779. SYS 电池热失控●绝热量热 ARC J.Powe Sources2014 SYS"SYSTSYSEr10015629325036635340045653586 材料热失稿差示扫描 量热DSC 反应物变化 Appl.Energy2019 133135 电化学热力学 系统SYS划分 物质BR-NCMIF-NCM冷冻电镜 结构表征 Nat,Energy Joule2022 OuyangM*etal.Joule,2020;Appl.Energy,2019;Nat.Energy,2022 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。 反应I：负极与电解液反反应X：正负极气体之间 应生成还原性气体T,ignnneaas的串扰反应 CORSS loule2027Loule2018 时R/s 负极固体物质 ×10*dTidt/C-minl 反应工：还原性气体攻击loule2020反应VI 正极晶格引发相变反应V正极固相反应反应VI：反应正极氧和的交换 COz.固气液反应○，产生电解液反应产热触发 reDenicalOnstil loule2022"Joule2018 NanoEnerey2019 10 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 正极包器 EC-free电解液 高安全隔膜 高安全FPE电解液添加剂 表面包费提升三元材料热稳定 消除正极及其活性氧与EC反应 高安全隔膜设计阻断关键放热反应 阻燃电解液抑制热失控主放热反应 NatureEnergy2020AdvancedEn 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✁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 1000 原位固化600 热电406 EC-FreewtWIn 辐射等 400800 12001600 安全电解液+高安全102 聚合单体半固态电池 消除正极及其滘性氧与EC✁反应 Time(min) Te:199C-216~CT2: 2160oC2480C II聚合物包通层延缓氧气 释放并阻止接反应 dT/d降低 ⅡI聚合物网缩束博锂盐阴离子 100200300400500 电池性能：①320Wh/kg，1C循环1500周，3C容量发挥可以达到0.33C✁90.5%，可4C充电 Temperature(°C) ②360Wh/kg.1C循环700周，2C镭环发挥可以达到0.33C✁80%；12 AdvancedEnergyMaterials,2021;AdvancedMaterials,2024 userid:444287,docid:175868,date:2024-09-23,sgpjbg.com 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✁ 电气绝缘条件变得不安全✁主要诱因。 测试系统与方法 测过过程与现象： 存在临界击穿电压V 增加电极间电压以诱导产生击电弧 VoltageOCurrent E-Areing Open Circuit /=Lo/=( 253 Time(s) 累控物作为电极问介质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 13 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✁防护理论与设计方法。 3临界参数和颗粒物诱导电弧灾害边界图颗粒物诱导电弧防护理论设计方法 1500VCBV(V)40 40 /200VD, 1600 Fitting(U/=200V) 35- U400V /800V 800V/140030Fitting(U/400V) U=800V 1200ap =Fitting(U800V) 1000 2020. 800 400V 15- 400V 600 10 400 299 (247,10.8) 200V 0- 50100150200250300350400100150200250300350400450 Diameterofparticulates(μm) 拟合、插值获得临界击穿电压✁等高线 DiameterofParticulates/μm 14 热蔓延与热防护 总结提出了电池系统热失控✁顺序、乱序和同步三种特征模式 同步蔓延 整体加热多节电池热蔓延在短时间内同步发生 乱序蔓延 烟气预热、远端电弧、火源使电池未按受热顺序蔓延 顺序蔓延 热流方向热失控沿热流传递路线依次发生 gineering,2022,211:118418. 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✁优化设计。 气-固两相流模型：精确预测热失控后系统颗粒物沉积行为 MaximumTemperaturevsTime 1172.9 172. Timo SolutionTimeO(s) 173evelocity_magnitude 1.057e+05.025e+0 9.403e*02 7.077e+02 3.769e+01 2.512e+01 1.256e+01 0.000e+00 颗粒物沉积可诱导电弧发生，破坏电池系统原有防护结构 16 XuC,FengX*,OuyangM*,etal.Energy2023 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。 热扩散抑制实验 让送卷延加起火 800 禹神盾409 200 5005002000 隔热加相变材料：y 无蔓延603 406 锂离子电池 500 103315002009 Time/s 17 EnergyStorageMater.,2021,40:329-336. 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） 现有热-气-电高安全电池系统设计技术 “热“烟气”“电气” 智能热响应隔层烟气危险点结构防护绝缘防护抑制电弧 双向液冷散热热气分离阻隔颗粒物诱发电弧 18 rnge,2023,72B:108324 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， 255Wh/kg Watercoolingplate★★★★*4C elasticsandwich Baseplete 72%50% CTP3.oPlatformmodularizationSTThetsalUicies 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： 19 在全球率先推出让电动汽车续航达到1000公里✁动力电池系统技术， 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 电池全生命智能化：协助“设计-制造-管理-回收”全生命周期提速降本 全球防力电池年装机量盗速放绳电池系统毛利率下降动力电池产品送代如快方形便究 秋包叠片 Tesls复刀 1680 18650大容量化 智能电池：智能传感+内置芯片+无线BMS+智能算法赋能超大容量动力/储能电池 #新环寿命超大客量大电口集装拍电量系统零部件生产效率 12000+628Ah2.009kWh提高45.7%减少47%提高30% PHIUNEE 6000 RABR 4000 20152017201820202023202520162018202020222024 电池仿真和设计自动化 电池设计技术三代沿革电池智能设计BDA技术：BatteryDesignAutomation BDA 降低 近/中期输入输出 2025-2030 自前阶段成本 2020-2025第三代 智能化全自动 车辆性能需求 智能化全自动设计 最佳电池方案 第二代 仿真驱动 效率握升 第一代2~5信 实验试错 1~2个数量级两大核心技术 效事摄升 高精度建模技术②高效智能寻优算法 提升效率 1c 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，建立设计参数与核心性能✁精确构效关系：为设计过程自动寻找最优最速