吉阳智能阳如坤:先进电池规模制造技术前瞻

2024年9月1日下午,由四川省人民政府主办、欧阳明高院士工作站承办的2024世界动力电池大会——全球先进电池前瞻技术专题会议于在四川省宜宾市成功召开。会议围绕动力电池材料体系、系统结构、研发升级及下一代技术研判,开展跨学科、跨领域、跨区域的深度交流与对话,打造先进电池科技创新、交流合作、战略引领新高地,推动实现合作共赢的全球动力电池产业发展新格局。深圳吉阳智能科技有限公司董事长阳如坤以“先进电池规模制造技术前瞻”为主题发表精彩演讲。

深圳吉阳智能科技有限公司董事长阳如坤

以下为演讲实录:

阳如坤:非常高兴有这个机会能跟大家说说电池制造方面,可能我这里说的还是偏向于液态,因为我觉得液态对我们的挑战也不少。

我想讲四个方面的内容。

第一,制造能源时代与电池产业。

前面有好多专家都说到了,这里有一个概念,现在整个电池产业发展还是非常迅速,尽管在低谷的时候,我们依然在高速增长。

这是中石化今年发布的2060年碳中和展望,想跟大家说一个数据,简单统计了一下,比如到2060年,清洁能源大概到1.6万T,这样的数据计算下来我们两村3天,50%需要存储的话,2060年需要50T的存储,我们今天的电池差不多1T,我们还有10—50T的增长规模,在比如2030年差不多3—10T这样的规模,所以这个产业我们认为还有巨大的增长空间。马斯克去年断言说,5步改造地球,全球240T,我觉得这个数据跟中国的数据还是比较一致的。

这里我们看到,我们认为未来的时代叫制造能源时代,我们过去叫自然能源,主要是石油、天然气,主要特点是不可再生,我们看到未来可再生能源,主要是太阳能、风能,从中国整个发展来看,大家知道太阳能未来很快会实现30%—40%以上的效率,电池成本可能会降到2毛以下的水平,当然这里可能主要是两项技术,一是标准化,二是回收,这两个加起来到2毛钱以下成为可能,中国10%的荒地也可能解决我们的能源问题。

从这样的决过来看,我们认为可以过制造技术解决所有的能源需求问题,我们叫制造能源时代,有的专家叫能源自由的时代,值得每个人去期待。

简单解释一下电池产业制造发展的规律。1、产能周期为5年,与中国的五年计划有关。2、我们看到能量密度大概每年平均会增长7—8%,10年差不多能量密度会翻一番。3,年复合增长率45%,成本每年下降8—10%,每6—8年价格下降一倍。4、能量密度不断提升,价钱也在不断下降,跟摩尔定律也是非常类似的。

先进电池制造的现状。我们认为我们的电池制造主要面临工艺方面的挑战:1、我们电池在制造领域研究还非常缺乏。2、我们缺少标准,尤其是电池产业没有自己的TC,这个层面上,尤其包括尺寸规格,在材料、设计、制造、应用方面都缺少一些标准来规范。3、大规模制造理论,我刚才说了我们的电池产业会增长10倍—50倍的规模,我们现在差不多1.4万亿的电池规模,要增长10倍是什么样的状态,我们的制造会发生天翻地覆的变化。4、制造安全,我个人认为我们制造安全本身的研究还是比较缺少的。5、制造质量,大家知道整个中国电池制造质量,我个人理解还是比较差的,大概只能到92%—95%,应该还算比较好的企业,这个层面值得我们去关注。6、固态电池制造方面,固态电池制造才刚刚开始,比如干法膜、高速组装、界面保持的内容。

简单说一下电池制造质量。这是今年我们国家发布的2023年中国制造业平均质量水平大概是93.65%,《质量强国建设纲要》也说到,2030年食品合格率到98%,制造业产品质量合格率只有94%,大家知道产品制造的合格率要求到98%。电池产业的现状还是比较悲观的,只有92%—95%的水平,我知道很多企业不到90%,材料利用率也比较低只有90—94%,产能利用率50—65%。电池产业的制造合格率在中国是低于平均制造合格率的,这个层面上我认为1万多亿的产业还是面临不少问题。

电池产业的优势。大家可能了解比较多,欧阳老师说电池产业可能会被固态电池颠覆掉,但是我个人认为,现在的液态电池照样存在被颠覆掉的危险。我这里分析了大概四个因素:1、尺寸规。2、大规模制造能力。3、制造质量,我认为制造质量能达到ppm级已经非常不错了。4、制造安全应该在ppb级的管控。这四大因素是影响整个电池制造液态领域面临的问题。

电池标准简单展开一下。苗主任在去年这个会议上也说到了电池的尺寸规格问题,只可惜苗主任说了,到今年依然没有任何行动,我也觉得很无奈。大家知道,我们国家GB/T34013—2017有145个规格,现在中国大规模生产的电池大概65—70个规格,这样大的量,我们有六七十种不同的生产线,每个企业就面临不同的生产线去解决一些问题是非常宽大的。看国际上,我们国家的电芯尺寸规格起源于VDA,VDA最早只有5个,但是我们国家有很多创造说明,从5个层面拉伸它的尺寸,变成现在中国电池的尺寸规格,没有一家做深度研究我们的尺寸规格应该是什么样、不应该是什么样,缺少这方面的研究。比如大众发布的MEB只有3个规格,后来Unified CELL只有一个规格,对整个电池面临大的挑战。比如今天上午曾总和长安的老总都说了标准问题,当然可能他们谈的标准跟我谈的标准层面不一定完全相同,但是至少我们知道在标准方面对我们面临的挑战还是非常大的。

尺寸规格对我们的影响,影响材料、智能化、装备积累、综合竞争力。简单统计一下,仅仅把尺寸规格按照标准化来做,可以有20%—30%的下降空间,这是简单的制造业的基本规律。从这个层面上,我个人认为我们应该以最快的速度制定整个产业的尺寸规格标准,这个层面上我认为刻不容缓。

电池标准的问题,有短期利益与长期利益,科学交叉、产业发展过快,当然有很多理由,主管部门也缺少作为,这个层面上对我们的影响还是非常大的。

标准给我们带来了红利,制造业有个简单的规律,产业每增长1倍成本自然就会下降8%—10%,从这个层面上,我们就是通过标准化能够把规格缩小。

标准方面我们还缺少非常简单的事实,先标准化、后标准化的问题,很多做标准的人往往认为我们就是要先野蛮生长,让大家谁做成最大谁就成为标准,你们去看一下我们的先进产业,比如电芯产业,都是先有标准再做产业化的,对于电池来说,我个人认为中国错过了非常好的开始就做标准的机会,至于今天也这么多种电池规格来影响产业发展。

我们来反思,包括今天的固态电池,我个人理解,还是要先做标准,再做产业化,如果我们没有走这样的路,未来五花八门,或者每个企业的投入也是巨大的。我们现在的电池虽然有1.4万亿,但是我看到很多厂建完以后都没有真正意义上大规模生产,这也是非常痛心的,这个沉默成本也是非常高的。

先标准化我想简单举个例子,高通的雅各布斯,他把他的标准CDMA申请了专利,再把专利变成了标准,最后收了很多钱。华为在2018年、2020年,相当于每部手机收16元,10多亿美金,这就是标准带来的价值,这个层面上当然标准了专利之间的关系,还有一些值得我们去研究,中国的法律上还做的不够完善,至少这个层面上我们重视不够。

简单总结一下标准化给我们带来的价值,我认为在尺寸规格、制造工艺过程、材料急需要做标准化,我刚刚说了标准带来的价值,对整个产业也是非常有意义、非常有价值的。

下面简单说一下大规模制造技术。制造工程角度来说,我们认为四大方面对制造业影响巨大,比如材料、标准、装备、数据,今天我们讲到数据影响也是非常大的。

从电池制造规模来说,比如Unified Cell,1GWh需要500—80ppm,今天整个电池产业,电芯已经超过了半导体产业,已经到了1.4万亿,去年半导体产业只有1.04万亿,未来还有10倍以上的增长。

这是我统计的过去整个电池产业发展过程中未来的规模需求,2023—2025以后,每个单线的产能增长是非常快的,绝不是说现在是1T,未来10T,就把所有设备、生产线×10倍,一定不是这样的发展模式,也不是我们未来的竞争模式。

整个电池制造我认为还处于实验室阶段,就是实验室怎么研发电池大规模生产还是怎么做的,我们缺少大规模制造的研究,还有缺少全生命周期的去看,我们把回收也看成一种制造的话,这个层面上我们更缺乏很多标准化的东西。

简单总结一下大规模制造技术,我个人认为实现三大流连续化。一是物料流,我们生产过程中一定要把所有物料传输中间不停的生产出来,而不是电池做的过程中走走停停,停下来定位加紧作业然后再移开,我们高速生产的时候大量时间浪费在传输和定位过程。二是信息流,现在看到所有电池制造过程还没有真正数据拉通,尤其从材料数据到电芯生产过程的数据,我们要谈AI,这个数据都没有拉通AI几乎是不可能实现的。三是能量流,能量方面也是我们面临比较大的问题。物流的连续一个简单的事实就是,我们加减数的过程中很难控制这个过程的精度,这是稍微学点动力学的人就知道,摩擦、阻力、惯量这些东西在运动过程中是很难准确控制的,这是我们一个基本原则。

整个电池制造能耗。我统计下来,电池制造每kWh的电池大概需要35度—45度电,大概算下来要3—5分钱,这个成本对于每个企业来说也是影响巨大的。

最后,电池制造安全的问题。电池老师在安全方面他们整个团队做了很好的分析,对产业很有意义,就提到T1度,综合影响因素两看有内因和外因,首先是内因的问题,总结T1温度主要是SEI膜分解、锂枝晶、短路自产热、副反应,一旦达到T1度以后很难控制电池安全,这些因素下怎么诱导T1度影响也是非常大的。

在电池安全领域,T1度通常指的是电池热失控的自生热起始温度,也就是电池开始产生自生热的温度阈值。热失控是指电池在某些条件下,由于内部化学反应失控导致电池温度急剧上升,最终可能引发电池过热、冒烟、起火甚至爆炸等安全事故的过程。

根据中国科学院院士欧阳明高的研究,电池热失控有三个特征温度:自生热起始温度T1,热失控引发温度T2、热失控最高温度T3。T1度是这三个特征温度中的第一个,它标志着电池内部开始发生放热反应的起始点。在T1温度附近,电池内部的某些化学反应开始活跃,导致电池温度上升,这可能是由于电池内部的某些材料开始分解,例如负极表面的SEI膜(固体电解质界面膜)开始分解。

T1度的确定对于电池的安全设计和管理至关重要,因为它可以帮助研究人员和工程师了解电池在何种条件下会开始出现热失控的风险,从而采取相应的预防措施,比如改进电池材料、设计更有效的热管理系统等,以提高电池的安全性。在电池安全测试中,T1度的测量和评估是电池热稳定性评估的重要组成部分。

我们认为T1度有这么多复杂因素,未来要去做深度研究,值得产业深度考虑。

这是过程的识别来解决这样一些问题。

整个电池制造过程从诱引、工艺方法、制造缺陷、检测来结果这些的问题,电池制造我认为要划分为被动制造安全、主动制造安全、本征制造安全。被动制造安全,就是存在安全隐患,通过现在的保护技术,这是今天所做的内容,可能还做的不够完善。主动制造安全,我们认为要去发现制造过程中存在的缺陷,去解决这些问题,未来希望从加工方法上保证整个制造是安全的,我认为这是未来要解决的问题。

黄博士刚刚说到整个路线图的3.0,我们把尺寸规格作为非常重要的方面提出来,我认为未来中国只需要8—10种足够了,这里面最强调的,制造安全从ppb级的被动安全、主动安全,再到未来的本征安全,还有制造质量的管控,我认为这六大指标如果我们能够很好管控,整个中国电池的制造我认为才能真正走向老大。

谢谢!

(速记未经嘉宾本人确定)