動(dòng)力電池價(jià)格安全性及使用壽命是關(guān)鍵

1、動(dòng)力電池價(jià)格安全性及使用壽命是關(guān)鍵充電電池在很大程度上左右著電動(dòng)汽車(chē)的環(huán)保性能與車(chē)輛成本。車(chē)載充電電池不僅需要滿(mǎn)足來(lái)自決定車(chē)輛續(xù)航距離的能量容量、瞬間大電流的輸入輸出、以及防止異常發(fā)熱及起火等安全性方面的要求，為了使電動(dòng)車(chē)能被普通消費(fèi)者所接受，還需要滿(mǎn)足成本要求，為此各企業(yè)正在進(jìn)行著激烈的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。今后車(chē)載鋰離子充電電池的開(kāi)發(fā)將圍繞以下三個(gè)要素展開(kāi)：(1)降低單位能量容量的成本;(2)確保安全性;(3)抑制充放電導(dǎo)致的劣化。尤其是第三項(xiàng)抑制充放電導(dǎo)致的劣化，關(guān)系到用戶(hù)使用電動(dòng)車(chē)的感受以及包含維護(hù)成本在內(nèi)的總成本，因此是不可忽視的重要因素。企業(yè)對(duì)正極材料的選擇各不相同電池的性能與成本取決于材料、

2、構(gòu)造及控制，其中最重要的是材料的選擇。各電池廠(chǎng)商必須從多種候選材料中作出最優(yōu)選擇。目前已開(kāi)始量產(chǎn)或計(jì)劃今后12年內(nèi)量產(chǎn)的鋰離子充電電池的正極材料，按照與鋰組合的材料不同，分為三元類(lèi)、錳類(lèi)、nca類(lèi)及磷酸鐵類(lèi)4種。傳統(tǒng)鋰電池的正極材料一般使用鈷酸鋰(licoo2)。但使用鈷酸鋰的正極在充電時(shí)晶體構(gòu)造不夠穩(wěn)定，在車(chē)載電池用途方面存在著安全性問(wèn)題。因此，在開(kāi)發(fā)車(chē)載鋰電池時(shí)，技術(shù)人員嘗試并開(kāi)發(fā)出了可代替鈷酸鋰的新材料。被稱(chēng)作三元類(lèi)的材料以鎳和錳取代了鈷酸鋰的部分鈷，通過(guò)使用鈷、鎳、錳三種成分，提高了材料的穩(wěn)定性。采用三元類(lèi)li(ni-mn-co)o2材料的電池廠(chǎng)商包括宣布向鈴木的增程型電動(dòng)車(chē)供應(yīng)鋰電池

3、的三洋電機(jī)，以及為本田開(kāi)發(fā)的phev供應(yīng)電池的gs湯淺與本田的合資公司blue energy japan。nca類(lèi)材料的nca是鎳、鈷、鋁3個(gè)詞的字頭縮寫(xiě)。nca類(lèi)材料用鋁代替了三元類(lèi)材料中的錳。nca類(lèi)材料li(ni-co-al)o2已被豐田與松下的合資公司primearth ev能源采用，其生產(chǎn)的鋰電池被配備在了普銳斯插電式混合動(dòng)力車(chē)上。nca類(lèi)鋰電池一般來(lái)說(shuō)具有出色的能量密度，但在安全性方面還存在需要解決的課題。primearth ev能源公司為了提高鋰離子充電電池的安全性，通過(guò)在負(fù)極上涂覆陶瓷層等措施提高了耐熱性，從而強(qiáng)化了安全性能。錳類(lèi)材料使用錳酸鋰(limn2o4)。這類(lèi)材料已被日

4、本、韓國(guó)及美國(guó)的電池廠(chǎng)商廣泛采用，目前是車(chē)載電池的主流。主要廠(chǎng)商包括為日產(chǎn)leaf(中國(guó)名：聆風(fēng))供應(yīng)電池的automotive energy supply，為三菱imiev供應(yīng)電池的lithium energy japan，為通用volt供應(yīng)電池的lg化學(xué)，以及為戴姆勒、寶馬及北京汽車(chē)供應(yīng)電池的江森自控-saft(johnson controls-saft)等。錳類(lèi)材料與三元類(lèi)及nca類(lèi)材料相比，理論上能量容量密度要低，但鋰原子、錳原子及氧原子能夠形成牢固的晶體構(gòu)造，因此熱穩(wěn)定性出色，安全性高。另外，錳與鈷及鎳相比，原材料價(jià)格便宜，成本優(yōu)勢(shì)也較大。原材料價(jià)格由高到低依次為鈷、鎳、錳，如果將鈷

5、的價(jià)格看做10的話(huà)，那么鎳就是5，而錳則不到1。磷酸鐵類(lèi)(lifepo4)材料是中國(guó)廠(chǎng)商使用較多的正極材料。這類(lèi)材料因磷(p)與氧(o)結(jié)合緊密，即便電池內(nèi)部發(fā)熱，晶體構(gòu)造也不易遭到破壞，因此安全性高。磷酸鐵類(lèi)材料以前因電傳導(dǎo)性低，存在輸出功率難以提高的問(wèn)題，但通過(guò)在正極材料上包覆微細(xì)化碳改善了特性，大幅推進(jìn)了實(shí)用化進(jìn)程。此類(lèi)材料的優(yōu)點(diǎn)除了安全性之外，另一優(yōu)勢(shì)在于材料成本。鐵的原材料價(jià)格比錳還便宜，估計(jì)只有錳的幾分之一左右。但也有技術(shù)人員指出，這類(lèi)材料的制造工藝成本較高，所以難以發(fā)揮出材料本身的成本優(yōu)勢(shì)。由于需要?jiǎng)?chuàng)造防止鐵氧化的制造環(huán)境，而且為正極材料包覆碳工序的品質(zhì)管理也要花費(fèi)人力與物力，因

6、此包含制造費(fèi)用在內(nèi)的總成本未必便宜。成本目標(biāo)是降至與消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池相當(dāng)?shù)?萬(wàn)日元/kwh目前，日本廠(chǎng)商的車(chē)載鋰電池成本約為1012萬(wàn)日元/kwh，中國(guó)廠(chǎng)商為其一半。按電池成本為10萬(wàn)日元/kwh來(lái)計(jì)算電動(dòng)車(chē)的電池成本時(shí)，配備16kwh電池的通用volt為160萬(wàn)日元，配備24kwh電池的日產(chǎn)leaf為240萬(wàn)日元。僅電池成本就相當(dāng)于一輛車(chē)的價(jià)格。也就是說(shuō)，目前ev及rev(改裝ev)與相同級(jí)別的汽油車(chē)相比，成本會(huì)是兩倍。要推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的普及，必須降低電池的成本。車(chē)載鋰電池的成本目標(biāo)是降至消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池的水平。消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池的成本約為2萬(wàn)日元/kwh。如果以2萬(wàn)日元/kwh計(jì)算的話(huà)，

7、volt的電池成本為32萬(wàn)日元，leaf為48萬(wàn)日元。電池成本可分別降低128萬(wàn)日元與192萬(wàn)日元。將下降的電池成本反映到車(chē)輛價(jià)格中的話(huà)，volt的價(jià)格可降至200萬(wàn)日元，leaf可降至185萬(wàn)日元。如果成本能夠下降到這種水平，電動(dòng)車(chē)就能實(shí)現(xiàn)普通消費(fèi)者也買(mǎi)得起的價(jià)格。2萬(wàn)日元/kwh這一成本也與日本及中國(guó)的車(chē)載鋰電池發(fā)展藍(lán)圖所提出的目標(biāo)值一致。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(nedo)編制的車(chē)載充電電池開(kāi)發(fā)藍(lán)圖中，成本目標(biāo)為2015年降至3萬(wàn)日元/kwh，2020年降至2萬(wàn)日元/kwh。在中國(guó)政府公布的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)藍(lán)圖中，2015年中國(guó)的電池成本目標(biāo)值為1,500元/kwh(約18,000日

8、元)。電池廠(chǎng)商的態(tài)度也為車(chē)載電池成本實(shí)現(xiàn)2萬(wàn)日元/kwh這一目標(biāo)的可能性提供了支持。與日產(chǎn)擁有合資關(guān)系的nec的高管在2010年9月接受路透社的采訪(fǎng)時(shí)表示，該公司正在推進(jìn)鋰離子充電電池的開(kāi)發(fā)，目標(biāo)是到2017年前后，使其與現(xiàn)在的產(chǎn)品相比價(jià)格減半性能翻倍。價(jià)格減半性能翻倍便意味著每kwh的價(jià)格要降至目前的四分之一。假設(shè)目前的電池成本為10萬(wàn)日元/kwh，那么2017年的成本就是2.5萬(wàn)日元/kwh。另外，lg化學(xué)公司的高管在2011年2月舉行的國(guó)際會(huì)議上表示，該公司將要量產(chǎn)的車(chē)載鋰離子充電電池的價(jià)格為350400美元/kwh(約28,00032,000日元)。lg化學(xué)所說(shuō)的350400美元/kw

9、h這一價(jià)格被認(rèn)為考慮了該公司將來(lái)要降低的成本。降低電池單位容量?jī)r(jià)格的驅(qū)動(dòng)力是高容量化以及提高生產(chǎn)效率。高容量化方面，目前消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池的能量密度已接近250wh/kg，而車(chē)載鋰電池只有約100wh/kg。車(chē)載鋰電池在提高能量密度方面尚有余地。降低電池單價(jià)的另一驅(qū)動(dòng)力是提高生產(chǎn)效率，這一點(diǎn)可主要通過(guò)以擴(kuò)大規(guī)模來(lái)獲得量產(chǎn)效果、改善工藝以及降低生產(chǎn)設(shè)備的成本等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。automotive energy supply公司就其今后的車(chē)載充電電池量產(chǎn)計(jì)劃表示，將從2011年開(kāi)始量產(chǎn)可供5萬(wàn)輛ev使用的電池單元，2013年前后將把產(chǎn)量提高至50萬(wàn)輛ev的用量。不可忽視的電池性能劣化問(wèn)題車(chē)載鋰電池不可

10、忽視的要素是存在電池劣化問(wèn)題。從購(gòu)買(mǎi)新車(chē)到報(bào)廢，汽車(chē)最少要使用10年以上。如果在此期間電池明顯劣化，用戶(hù)被迫更換電池，就會(huì)損害用戶(hù)的電動(dòng)車(chē)體驗(yàn)，用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)也會(huì)加重。充電電池利用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行充放電，因此因反復(fù)使用而導(dǎo)致劣化是不可避免的。目前，ev用戶(hù)必須預(yù)先認(rèn)識(shí)到的是：ev使用5年后，電池劣化可能會(huì)造成電池容量下降2030%。以配備容量為25kwh的電池、可行駛150km的ev為例，電池容量下降可能會(huì)導(dǎo)致行駛距離縮短3050km。也許用戶(hù)想要更換掉性能劣化的電池，在這種情況下，即便電池單價(jià)為2萬(wàn)日元/kwh，更換電池的費(fèi)用也需要50萬(wàn)日元。假設(shè)每隔5年就要花費(fèi)50萬(wàn)日元更換一次電池，那么每

11、年所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用就是10萬(wàn)日元，用戶(hù)需要提前考慮ev維護(hù)費(fèi)。如上所述，電池壽命直接關(guān)系到用戶(hù)的ev擁有成本，因此將會(huì)成為車(chē)載充電電池開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵要素。今后，要廣泛普及ev及pehv，除了配備成本之外，還要站在降低用戶(hù)的車(chē)輛擁有成本這一角度，對(duì)車(chē)載鋰電池進(jìn)行成本評(píng)估。作為抗劣化性能較強(qiáng)的車(chē)載鋰電池而備受關(guān)注的是負(fù)極使用鈦酸鋰的電池。鋰電池的負(fù)極一般使用石墨，但使用鈦酸鋰可以提高耐久性。東芝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)極使用鈦酸鋰的鋰電池與使用石墨的傳統(tǒng)鋰電池相比，壽命可延長(zhǎng)至6倍。這樣的話(huà)，就不需要在車(chē)輛使用壽命期內(nèi)因電池劣化而更換電池，也不會(huì)造成用戶(hù)的車(chē)輛擁有成本上漲。東芝目前正在量產(chǎn)使用鈦酸鋰的車(chē)載鋰電池，除了三菱汽車(chē)將在該公司的ev上采用這種電池之外