采用换电模式破解里程焦虑 附电动车换电模式分析+新能源车的换电新模式.docx

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1、采用换电模式破解里程焦虑如今，锂离子电池面临诸多现实挑战，续航能力有限，能量密度提升已接近上限，锂离子电池未来何去何从？面对固态电池、钠离子电池、氢氧燃料电池等电池新势力，谁才是未来的终极电池？我国锂电池产业是如何做到世界第一的？从2018年全球电动汽车电池企业市场份额的排名情况来看，前10名中排名第一的是宁德时代，第2名是日本的松下公司，第3名是比亚迪，中国有6个锂电池企业位居动力电池世界市场占有率前十。宁德时代是37.23%,稳居第一，日本松下公司21.54%,排名第二，比宁德时代差十几个百分点。中国锂离子电池产量为什么能够世界第一？中国锂电池研究并不晚，几乎和世界同步。1976年的圣诞节

2、之前，科学院派遣我到西德斯图加特马普固体所进修，我很快发现他们全所上下都在研究氮化锂晶体的性能，我感到很奇怪，为什么大家对氮化锂这么感兴趣？当时才知道氮化锂是一个离子导电的材料，据说是一种叫超离子的导体，可以用来作汽车的电池。他们的研究所有个开门办所，有一天对社会开放，他们就把这个氮化锂，这一个类似于扣子似的小电池摆在桌子上，旁边放了一个铅酸电池。我一看，一个铅酸电池很沉，一个扣式电池很轻。我马上就给国内所里打报告，说我要改行，从晶体生长改到新的学科，叫固体离子学。回国以后，科学院非常支持把这个项目给物理所，很快就成立了一个固体离子学实验室。这是当时国内第一个固体离子学实验室，也是物理所最小的

3、一个实验室。我从事的工作就是锂离子导体和锂电池研究。1991年索尼公司宣布产业化以后，物理所迅速跟进了。当时我们就找了一个投资方，1993年签订了一个A型锂离子电池的研究开发协议。1995年第1块锂电池就从中科院物理所诞生了。当时A型锂离子电池就是“大哥大”的电池。现在有一种观点说锂电池是日本人发明的，中国在锂电池方面技术不行，只是在应用水平上比较领先。锂离子电池的发明肯定不是日本人，要不诺贝尔奖怎么是给两个美国人和一个日本人。所以说锂离子电池是日本人发明的这个话不完全对，可以说锂离子电池是日本人先产业化的，这句话是对的。我们可以从这张图看得出来，日本人最早1991年宣布产业化，市场占有率是1

4、00%,然后一直往下掉，现在还在往下掉。连索尼公司都不做锂离子电池了，它的锂离子电池卖给了另外一个公司。韩国人跟中国人是往上走的，到2014年我们中国的动力电池、锂电市场份额己经超过了日本跟韩国，处于世界的第一位,现在还在往上升。我们锂电池技术从目前发展的情况来看是不错的。实际上是学术界、工程界和产业界的一个合作，是研究院所和大学的通力合作，高度重视原始创新、基础研究和应用研究紧密结合，加快研究成果的产业化进程。2019年诺贝尔化学奖的获得者GOOdenOUgh（约翰古迪纳夫）发现了普遍使用的正极材料钻酸锂还有磷酸铁锂，但这两种材料都有缺点。钻酸锂实际上只能取出0.5摩尔的锂，而磷酸铁锂实际上

5、是个绝缘体，都有缺点。我们想办法找出它的缺点，然后通过理论计算和试验相结合进行了改性并且取得了专利权，这个专利权对于我们锂离子电池的发展起了非常重要的作用。前几年比利时的五矿公司要到中国来收锂离子正极材料知识产权费，据说是一吨要收5万。做钻酸锂三元材料大概吨的利润可能也不到5万，他们就到海淀知识法庭把我们告了，后来中国的做正极材料的企业联合物理所和他们庭外和解，因为我们有这个专利，所以他们再也没有提要收专利费的问题。看得出来，不是我们的原创材料，但是我们做了工作，我们也申请了我们的专利，对于保护我们自己的企业是很有好处的。第二个例子就是磷酸铁锂。它是个绝缘体，我们通过理论计算，它是个一维的离子

6、导体，如果说你在锂位掺上格这种大的离子的话，就把这个锂的通道堵塞了，这样是不行的，没法用。后来就有人又提出来一个在铁位掺钠。铁位掺钠的时候，颜色变黑了，电导率也提高了几个数量级，它的离子电导率和电子电导率都挺好。所以法国和德国科学家认可这个工作，这是唯一的一条可行的路，打破了国外的原始专利对磷酸铁锂材料的垄断。这样才有我们现在各锂电池企业在相当大量地使用磷酸铁锂材料，不受国外知识产权的影响。从这两个例子可以看得出来，虽然我们没有做原始创新,但是我们给它改性、再创新了，也是非常重要的。刚才讲的是两个正极材料，那么现在我讲负极材料,这是我们的原始创新了。清华大学很早就申请了天然石墨做锂离子电池负极

7、的专利。两年前，它申请了国家的发明奖，这个发明奖就等于是承认了我们用天然石墨做锂离子电池的负极是我们的知识产权。光有石墨还不行，石墨的容量是比较低的，372毫安时每克。硅的容量实际上是相当高的，那么硅能不能够作为锂离子电池的负极呢？1999年我就做了这个工作，申请了第一个专利。所以国际上第一个硅作负极的专利是我们申请的，这个是美国人也承认的。但是你要把它用上，还是相当困难的。从几百毫克到几百公斤，用了17年的时间，这17年我们走的路从文章变成技术，然后变成产品，变成市场。我们现在的原材料基本上是已经国产化，进口的量已经相当少，同时我们的设备绝大部分也都是国产化的设备，更不用说员工的技术，现在基

8、本上都是我们自己培养的技术。如何破解锂离子电池引发的“焦虑”？对锂离子电池最大的“焦虑”就是里程问题。里程问题是指锂离子电池现在的能量密度还不够高，充一次电大概行驶里程也就是100多公里、200多公里。（现在这个数字有大幅度提升）我觉得电动汽车应该把车跟电分开，就是买车和买电池要分开。最好是买一辆电动车，我每天上班，如果是从天安门到清华或者到五环路就可以，可能也就是30公里,那是不是买一辆车能开30公里就行了？不一定非得要开100多公里、200公里，也就是说装10度电就够了。那么车子的钱加上这10度电的电池的钱肯定不会超过10万元钱，大概五、六万我就可以买一辆车。但是我要开长途车怎么办？能不能

9、我开长途车的时候再去租电池？也就是说要专门成立一个电池的公司。实际上我是不主张快充的，因为现在锂离子电池的机理决定了它是插入式反应，就是说你要允许离子能够有时间把它插进去。而且现在我们所用的正极材料也好，负极材料也好。负极材料用石墨，石墨是个层状结构，层状结构只有离子要对着那个层才能插进去。如果说正好那个石墨跟它离子是垂直的，它进不去，它就要转一个90度才能进去。所以你要给它一个转90度的时间，如果说你不给它一个时间，直接快充的话，它转不过去就会在石墨片上沉积下来，这样对电池寿命是不利的。同样，放电的时候，如果特别快地放电，倍率太大了也不行，它也是层状结构的。一个正级材料它回去也是一样，它是要

10、找准那个狭缝它才能进去，如果它找不准的话也进不去，也要等着有机会它才能往里走。所以说我不主张快充，我是最希望换电池的。适当的倍率充是可以，但是特快了不行，换电模式是好，但是做起来相当困难，标准不好统一。这个一定要国家统一来考虑，如果说国家不出台政策统一考虑的话，那是很难做的。现在蔚来公司有一种换电的模式，它从北京开到深圳，每开一步它是有地方换电，几分钟就可以换完，充电最快是大概一刻钟，就是喝一杯咖琲的时间。一刻钟已经是够快的了，换电的话它几分钟就可以换完。因为我最早参观换电是在清华，清华里头有一个换电的装置，车开上去之后就把车给顶起来，换电的装置都在地底下，很快就把它换掉了。但是这个车一定要标

11、准化，电池一定要标准化。所以这就要求国家要统一出台政策，就是换电的政策。我大概一个月以前，在北京打了一个出租车，从圆明园到中关村，我坐的正好是电动汽车。我就问他，这个车跑一天充几次电，他说我不充电我是换电。我说北京有换电吗？他说有，北京出租车全部是换电。就是说现在换电他不用管，你开到那儿去，就有人帮你把电换了，他们还是喜欢开电动出租车。所以将来我们解决退补以后，我觉得一个不让销路往下滑的很重要的事，就是我们是不是可以再回过来重新考虑换电的模式。“电动中国”能否破解能源危机？我们发展电动车不是为发展电动车而发展电动车，实际上是跟我们国家的能源情况密切相关的。到2050年，我国自产石油大概每年1.

12、8亿吨是没问题的，就是说从现在开始到2050年还可以在1.8亿吨每年的这个水平。实际上这条红线就是1.8亿吨，去年大概是1.9亿吨，石油的对外依存度最好不要超过50%。2017年进口石油是4.2亿吨，国产石油1.92亿吨，对外依存度到了68.6%,已经远远超过50%了。那么我们的汽车的保有量是2.17亿辆，每千人是167辆，世界平均每千人是131辆，我们现在比世界平均水平稍稍高一点，但跟美国的每千人800辆那还差得远。汽车的油耗，如果说按照一辆车一年平均两吨油来算的话是4.3亿吨油，也就是说，我们进口4.2亿吨给汽车用掉了。最近发现了两个大油田隐藏量是10亿吨，这都是作为特大喜讯报的。我问了他

13、们回采率是多少，他说回采率可能低于50%,大概40%。两个油田的话，也就是说两年不用进口，但是第三年还要进口，而且不可能老有像这种10亿吨的油田被发现。所以从这个可以看得出来，我们的储油现在只够40天用，而日本的储油是200天。我们国家储油希望能够是100天，这样的话，实际上我们最近几年这个储油量已经是大大增加了。另外要考虑全球二氧化碳的排放，因为我们是参加了巴黎气候协定的，中国2010年二氧化碳排放量开始急剧往上升，最近几年稍稍往下掉一点，然后又往上升了一点。中国的二氧化碳的排放量是世界第一，所以实际上我们受到的压力是相当大的。巴黎气候协定规定温度的升高不能高过两度，这也是大家的希望。因为现

14、在像我们国家的西部那些雪山好像也都开始融化，你看美国排放量比我们低，本来它是第1位，那么现在我们中国第1位。因为印度现在发展很快，它如果不控制的话肯定要远超过中国。我们希望交通能够电动化，小城市是自行车、汽车、公交车，大城市多一个地铁，城市间现在有高铁，有飞机、有船舶。我们希望包括高铁、飞机、船舶都能够电动化，就是电动汽车、电动飞机、电动船舶，这就要靠锂电池。最近沈阳有一个企业做了一架电动飞机，是两个座的。但实际上你们从网上看的话，2010年上海一个民营企业已经做了一个电动飞机，也是两个人的，已经试飞成功。实际上现在电动飞机做得好的是以色列人，现在做九个座位的。所以现在我们除了电动汽车，还要发

15、展电动船舶和电动飞机。实际上现在中国已经有电动船舶了，是在广州的一个2000吨的电动船，它用的电池的量大概是八十几辆电动车的电池量，是在珠江运煤做运输的这个船。在上海也有500吨的这种船，不止一-艘，有好几艘了。另外在漂阳现在已经注册了一个电动船舶的公司，那是哈理工的李革臣教授注册的一个公司。有人说电动汽车并不减少二氧化碳的排放，实际上这个电就从电网的电，从发电厂到用户，它是分高峰电和低谷电。峰电和谷电它的价格不一样，要鼓励用谷电。另外，我们发展太阳能跟风能、水能、核能，这几种能源对二氧化碳的排放当然是相当少，但是这些能源实际上它都要储能的。原来我对太阳能没有什么印象，我参观过北京附近的张北我

16、才知道，太阳能实际上更需要储能。就说一朵乌云来了以后，把太阳一遮，它的发电突然一下就小了，几乎就为零了。当这朵乌云一走，马上这个电流就上来了，所以它比风电更需要储能。风电，不管风来风走，我这个风叶还在那儿转。风来的时候转得快一点，风走了以后转得慢一点，所以它不像太阳能那么厉害。风电、太阳能都需要储能，所以现在有的地方弃风弃光，还有水力发电的弃水，我们弃风、弃光、弃水大概电量是IIoO亿度电每年，可以够600万辆电动汽车用一年。实际上你只要能够把储能搞好了，你不要增加新的发电厂，不要多烧煤，你就把这个谷电用起来就可以了。实际上就是我们要建一个能源互联网，这个实际上已经提了好几年了。我买了一辆电动车，我走到哪儿我都能充电，就跟现在自行车一样，我走到哪儿只要刷一下码，有自行车在那儿，我就可以骑一辆车走。将来也能够做到这么方便，我的汽车没有电了，我走到哪儿我有一个充电桩，一刷码我就可以充，或者说换电，这就当然是更不用说了。现在说互联网的概念还有云存储的概念，实际上将来