電動汽車用動力電池國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢

1、電動汽車用動力電池電動汽車用動力電池 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢引言引言 能源短缺和環(huán)境污染是目前汽車工業(yè)發(fā)展面臨的兩大挑戰(zhàn)，隨著世界汽車保有量的急劇增長，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車排放對環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重。在這樣的形勢下，電動汽車作為新能源開發(fā)的突出代表已經(jīng)成為取代傳統(tǒng)動力汽車，引領(lǐng)汽車行業(yè)的新時代的發(fā)展方向。而電動汽車電池既是發(fā)展電動汽車的核心，更是電力工業(yè)與汽車行業(yè)的關(guān)鍵結(jié)合點。電動汽車以電力驅(qū)動，行駛無排放(或低排放)，噪音低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機(jī)汽車高很多，同時電動汽車還具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車。但電動汽車目前還存在價格較高、續(xù)駛里程較短、動

2、力性能較差等問題，而這些問題都是和蓄電池技術(shù)密切相關(guān)的，電動汽車實用化的難點仍然在于電池技術(shù)，特別是化學(xué)電池技術(shù)。目前制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動力蓄電池不理想，所以，電動汽車應(yīng)用的關(guān)鍵在于對蓄電池的研究。要點要點: :一.電動汽車電池種類，優(yōu)缺點及應(yīng)用車型二.電池性能指標(biāo)分析三.當(dāng)前電動汽車蓄電池的技術(shù)難題四.國內(nèi)外的主要研究及發(fā)展動向一電動汽車電池種類，優(yōu)缺點及應(yīng)用車型電動汽車電池種類，優(yōu)缺點及應(yīng)用車型1.磷酸鐵鋰電池： 磷酸鐵鋰電池指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。 鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極

3、材料。優(yōu)點優(yōu)點：安全性能高、壽命長、高溫性能好、大容量、無記憶效應(yīng)、重量輕、環(huán)保。缺點缺點：振實密度與壓實密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低；材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差。應(yīng)用車型應(yīng)用車型：比亞迪唐、騰勢電動車、東風(fēng)風(fēng)神E30、江淮和悅iEV4、通用賽歐Springo、長安逸動純電動、榮威550Plug-in等。比亞迪唐 比亞迪秦的純電動行駛里程為70km，磷酸鐵鋰電池組容量為13kWh。比亞迪唐的電池容量肯定會大于13kWh。比亞迪唐的電池采用的是比亞迪擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的磷酸鐵鋰電池。與秦把電池組布置在尾箱不同，唐的電池組布置在車身地板下方，這是得益于SUV

4、較高的車身。騰勢電動車 騰勢充分借鑒了比亞迪多年在電動車領(lǐng)域的經(jīng)驗，運(yùn)用了多項創(chuàng)新技術(shù)，以滿足消費(fèi)者的日常需 求。該車搭載容量為47.5千瓦時的磷酸鋰鐵（LFP）電池，續(xù)航里程為300公里。 東風(fēng)風(fēng)神E30 EV 風(fēng)神E30的動力系統(tǒng)由一臺25kW的永磁直 流電動機(jī)和18kWh的磷酸鐵鋰電池組成，最大扭矩80Nm，最高時速為每小時80公里。單次充電續(xù)航里程為160公里?？梢栽?小時內(nèi)充滿電，快速充電只要半小時。2.鋰電池： 鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2，該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)

5、，放電。優(yōu)點優(yōu)點：能量密度高、使用壽命長、重量輕、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)、綠色環(huán)保、額定電壓高、具備高功率承受力、自放電率很低、生產(chǎn)基本不消耗水等特點，現(xiàn)在已成為了電動汽車的主流車用電池。缺點缺點：安全性差、不能大電流放電、價格昂貴、生產(chǎn)要求條件高、成本高、使用條件有限制、高低溫使用危險大。應(yīng)用車型應(yīng)用車型：福特?？怂笶V、福特C-MAX Energi、豐田普銳斯、三菱iMiEV、日產(chǎn)聆風(fēng)、特斯拉Model S等。豐田全新普銳斯 豐田全新普銳斯將增配體積更小容量更大的鋰離子，此外，未來在高配車型上或?qū)⑴鋫渌妮嗱?qū)動系統(tǒng)。據(jù)悉，新一代豐田普銳斯入門級車型將采用鎳氫電池，高端車型將采用鋰離子電池，續(xù)航里程更

6、長，高配車型還有望搭載四輪驅(qū)動系統(tǒng)。鈷酸鋰電池：TESLA的專屬電池 TESLA電動車的電池采用了松下提供的NCA系列（鎳鈷鋁體系）18650鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時。TESLA采用了電池組的戰(zhàn)略，85kWh的MODEL S的電池單元一共運(yùn)用了8142個18650鋰電池，將這些電池以磚、片逐一平均分配最終組成一整個電池包，電池包位于車身底板。 鈷酸鋰電池具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容量比高、綜合性能突出、但是其安全性差而且成本非常高，主要用于中小型號電芯，標(biāo)稱電壓3.7V。TESLA把這樣的電池組合到一起，安全性就成了一個很需要關(guān)注的問題，TESLA的工程師在電池包內(nèi)的保險裝置分布到每一節(jié)1

7、8650鈷酸鋰電池，每一節(jié)18650鈷酸鋰電池兩端均設(shè)有保險絲，當(dāng)電池出現(xiàn)過熱或電流過大時，保險絲會切斷，以此避免因某個電池出現(xiàn)異常情況（過熱或電流過大）時影響到整個電池包。 那么，就此來看，鈷酸鋰電池雖然本身存在著缺陷，但是在TESLA的工程師的包裝上安全性基本上可以忽略。顯然，這樣的解決方案還是很適合在純電動汽車上發(fā)展。 從上面的表格里可以更加直觀的比較幾種用在電動車上的電池。鈷酸鋰電池組相對于其他的電池來說續(xù)航里程、電池總?cè)萘恳蚕鄬τ谄渌碾姵匾?，如果鈷酸鋰電池的安全性再提高一點，那么其在電動汽車上的推廣便可以不僅在特斯拉上。電池技術(shù)目前仍在不斷地進(jìn)行著革新，目前三元鋰電池的時代在慢慢

8、到來（磷酸鐵錳鋰電池便是三元鋰電池的一種）。3.鐵電池： 目前國內(nèi)外研究的鐵電池有高鐵和鋰鐵兩種，目前還沒有廠家宣稱其產(chǎn)品可以大規(guī)模實用化。 高鐵電池是以合成穩(wěn)定的高鐵酸鹽（K2FeO4、BaFeO4等），可作為高鐵電池的正極材料來制作能量密度大、體積小、重量輕、壽命長、無污染的新型化學(xué)電池鐵電池。特點：特點：體積小、重量輕、壽命長、無污染缺點：缺點：鐵電池生產(chǎn)過程中對工藝要求非常高，如果把握不好，電池肯定會出現(xiàn)很多小問題。并且鐵電池的價格也不菲，國內(nèi)生產(chǎn)的40Ah容量磷酸鐵鋰電池組成本在3萬元到4萬元之間，如果是120Ah的磷酸鐵鋰電池組，市場價大約要12萬元。應(yīng)用車型：應(yīng)用車型：比亞迪e6

9、、比亞迪F3DM比亞迪e6 比亞迪e6動力電池和啟動電池均采用比亞迪自主研發(fā)生產(chǎn)的ET-POWER鐵電池，不會對環(huán)境造成任何危害，其含有的所有化學(xué)物質(zhì)均可在自然界中被環(huán)境以無害的方式分解吸收，能夠很好地解決二次回收等環(huán)保問題，是綠色環(huán)保的電池。 鐵電池經(jīng)過高溫、高壓、撞擊等試驗測試，安全性能非常好，短路爆炸機(jī)會不高。在能量補(bǔ)充方面，e6可使用220V民用電源慢充，快充為3C充電，15分鐘左右可充滿電池80%。4.燃料電池： 燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等

10、，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能儲電而是一個發(fā)電廠。優(yōu)點：優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)化效率高；安裝地點靈活；負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高；具有很強(qiáng)的過負(fù)載能力等。缺點：缺點：燃料電池造價偏高、碳?xì)淙剂蠠o法直接利用、氫氣儲存技術(shù)受限、氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足等。應(yīng)用車型應(yīng)用車型：豐田FCV豐田FCV 豐田從22年前就開始研發(fā)燃料電池汽車，直到2002年才把第一臺SUV型的FCV銷售出去，對象還是日本、美國的政府及教育機(jī)構(gòu)。豐田FCV氫燃料電池車有望提前在今年年底前正式開始量產(chǎn)。借助氫燃料動力這款車型將有著最高達(dá)300英里(約482公里)的續(xù)航里程。5.液態(tài)電池： 液體電池由一將電化學(xué)活性電極浸泡在裝滿電解液的玻璃容器組成的

11、電池。大多數(shù)電池，包括筆記本電腦和電視機(jī)遙控器上使用的電池，都使用固體材料如鋅或鈷鋰充當(dāng)陰極，石墨充當(dāng)陽極，液體鹽溶液充當(dāng)電解質(zhì)膜。而此液體電池則不同，其陰陽和膜都是液體的，且都是熾熱的熔化的像稀泥似的液體。優(yōu)點：優(yōu)點：能量密度高、穩(wěn)定耐用、充電速度更快、更加環(huán)保、可以維持超過14000次循環(huán)。缺點：缺點：成本高。應(yīng)用車型：應(yīng)用車型：Quant.e-Sportlimousine概念超跑Quant.e-Sportlimousine概念超跑由列支敦士登能源公司NanoFlowcell AG開發(fā)的Quant.e-Sportlimousine概念超跑動力系統(tǒng)十分強(qiáng)勁，最大功率680kW，最高350km

12、/h。并且只需要2.8s就可以從0加速到100km/h，性能遠(yuǎn)超特斯拉堪比McLaren P1。Quant e-Sportlimousine使用NanoFlowcell-AG公司開發(fā)的一種新型液態(tài)電解質(zhì)電池。這種電池采用鹽水作為存儲能量的介質(zhì)。鹽水會通過兩個水箱之間的隔膜形成電荷，電力被儲存和分配給超級電容器。它的能量密度比特斯拉的鋰電池大5倍。而且它更穩(wěn)定耐用，充電速度更快、同時也更加環(huán)保。6.鎳鎘電池： 應(yīng)用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池；比能量可達(dá)55Whkg，比功率超過190Wkg；可快速充電；循環(huán)使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達(dá)到2000多次，但價格為鉛酸蓄電池的45倍。 初期購置

13、成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬鎘造成環(huán)境污染。7.鎳氫電池： 鎳氫蓄電池不含鎘、銅，不存在重金屬污染問題。 目前生產(chǎn)電動汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovine公司，它現(xiàn)有80Ah和130Ah兩種單元電池，并由此構(gòu)成30kwh和50kwh兩種規(guī)格的電池。其比能量達(dá)75-80Wh/kg，比功率達(dá)160230Wkg，循環(huán)使用壽命超過600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動汽車上試用，其中一類車一次充電可行駛345km，有一輛車一年中行駛了8萬多公里。 由于價格較高，目前尚未大批量生產(chǎn)。估計隨著鎳氫蓄電池技術(shù)的發(fā)展，其比能量可

14、超過80whkg，循環(huán)使用壽命可超過2000次，遠(yuǎn)景價格可降至150美元/Kwh。通用汽車公司已把它作為今后幾年電動汽車優(yōu)先考慮蓄電池。8.鈉硫電池： 鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫為正極、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲存。優(yōu)點優(yōu)點：一個是比能量(即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量)高，另一個是可大電流、高功率放電。缺點缺點：其工作溫度在300-350，所以，電池工作時需要一定的加熱保溫。二二. .電池性能指標(biāo)分析電池性能指標(biāo)分析 電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動汽車用

15、電池的主要性能指標(biāo)是比能量、能量密度、比功率、循環(huán)壽命和成本等。要使電動汽車具有競爭力，就要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。各類電池指標(biāo)比較：充電時間： 充電技術(shù)影響充電站發(fā)展的關(guān)鍵。一般而言給車用動力蓄電池進(jìn)行一般充電需要2h以上，目前的快速充電技術(shù)可以將充電時間縮短到20min以內(nèi)（即在短時間內(nèi)給電池充60%以上的電量），充電模式影響分析見表。三當(dāng)前電動汽車蓄電池的技術(shù)難題三當(dāng)前電動汽車蓄電池的技術(shù)難題 (1)電池安全性得不到保障。目前中小容量鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)非常成功，但大容量、高功率鋰離子動力電池的安全性問題得不到有效解決。而電池容量愈大，其一旦失控所造成的危害就愈

16、大。 (2)電池容量有限，未能實現(xiàn)突破。目前市場上使用的電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程一般為100km300km，并且這還需要保持適當(dāng)?shù)男旭偹俣燃熬哂辛己玫碾姵卣{(diào)節(jié)系統(tǒng)才能得到保證，而絕大多數(shù)電動汽車一般行駛環(huán)境下續(xù)駛里程只有50km100km。 (3)電池循環(huán)壽命短。普通蓄電池充放電次數(shù)僅為300400次，即使性能良好的蓄電池充放電次數(shù)也不過700900次，按每年充放電200次計算，一個蓄電池的壽命最多為4年，與燃油汽車的壽命相比太短。 (4)電池質(zhì)量和尺寸制約?，F(xiàn)有電動汽車電池的外體積一般要達(dá)到550L。當(dāng)把這么大體積的電池用于家庭轎車上時，就必然要擠占轎車的行李廂空間?，F(xiàn)有電動汽車所使用的

17、電池都不能在儲存足夠能量的前提下保持合理的尺寸和質(zhì)量。 (5)電池價格昂貴。電動汽車蓄電池的價格約為100美元/kwh，有的甚至高達(dá)350美元/kwh，成本太高，用戶難以承受。 (6)對環(huán)境的污染嚴(yán)重。目前使用的動力電池主要為鉛酸動力電池、鎳氫電池、鎳鎘電池。原料從開采到生產(chǎn)，再到廢棄后的處理，都會對環(huán)境造成污染。四國內(nèi)外的主要研究及發(fā)展動向四國內(nèi)外的主要研究及發(fā)展動向1. 1.發(fā)展重點及目標(biāo)：發(fā)展重點及目標(biāo)：(1)近期：以改進(jìn)型鉛酸和Cd-Ni電池為主 鉛酸電池便宜，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動力源應(yīng)用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環(huán)次數(shù)仍存在嚴(yán)重的限制。未來使用鉛酸電池來驅(qū)動在

18、高速公路上行駛的電動汽車是不實際的，但價格優(yōu)勢使其在輕度混合或者短途行駛的電動汽車中仍占一席之地。 然而，有文獻(xiàn)指出近期美國的“下一代電池和電動車”中有一種超級電池是超級電容器與鉛酸電池的并聯(lián)使用。這種電池具有雙電層電容器的高比功率、長壽命以及鉛酸電池價格便宜的優(yōu)勢，將具有市場競爭力。(2)中期：以MH-Ni電池和Na-S電池為主 鎳氫電池雖然具有較高的比能量和比功率等優(yōu)點；目前，大量地應(yīng)用于混合動力車，隨著鋰離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的降低，鎳氫電池終將退出。鎳氫電池是電動汽車過渡階段使用的電池，但在近期和中期仍然是非常關(guān)鍵的動力電池之一。 鋰硫電池為二次鋰電池，由單質(zhì)硫、金屬鋰和有機(jī)電解液

19、組成，具有比能量高、成本低、環(huán)境友好的特點。 (3)遠(yuǎn)期：以Li離子電池和燃料電池為主 目前，越來越多的研究人員選用鋰離子電池作為電動汽車的動力電池，因為鋰離子動力電池有以下優(yōu)點：工作電壓高（是鎳鎘電池氫-鎳電池的3倍）；比能量大（可達(dá)165WH/，是氫鎳電池的3倍）；體積小；質(zhì)量輕；循環(huán)壽命長；自放電率低；無記憶效應(yīng)；無污染等。如果采用鋰離子電池，電動汽車成本難以降低。 據(jù)有關(guān)資料顯示，全球汽車鋰電池的生產(chǎn)企業(yè)主要有二十多家，而日本則走在全球前列，有美國的A123、江森自控(Johnson Controls)；中國的比亞迪、韓國的LG化學(xué)，而僅僅日本就有東芝、日立制作所、日本電氣(NEC)、

20、GS Yuasa、豐田汽車和松下電器產(chǎn)業(yè)的合并公司Panasonic EV Energy等十來家相關(guān)企業(yè)。 中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心數(shù)據(jù)顯示，據(jù)目前在混合電動汽車上所使用的鎳氫電池幾乎大部分是由日本企業(yè)制造的，日本的豐田公司與本田公司主導(dǎo)著與混合電力汽車相關(guān)的技術(shù)，兩家公司在世界市場上的占有率超過85%。 以現(xiàn)代汽車公司與LG化學(xué)公司為主力的韓國企業(yè)從2004年開始的5年以來，作為第二代電池成長動力產(chǎn)業(yè)的一環(huán)，在混合電動汽車用高輸出動力的鋰電池開發(fā)方面已經(jīng)投入了160億韓元的預(yù)算。另外，去年韓國知識經(jīng)濟(jì)部決定在5年內(nèi)，對內(nèi)置型混合電力汽車用的移動電池與相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)方面援助400億韓元，并在201

21、3年開始大規(guī)模生產(chǎn)。2.我國電池企業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀： 動力電池研發(fā)產(chǎn)品的主要性能居國際先進(jìn)水平，電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，但需要解決一些薄弱環(huán)節(jié)。我國動力電池關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料和產(chǎn)品研發(fā)取得重大進(jìn)展，與日本、美國、德國等國際先進(jìn)水平比較，總體水平相當(dāng)，比亞迪、力神、雷天等企業(yè)開發(fā)出的鎳氫和鋰離子兩種類型、多個系列的車用動力電池，能量密度、功率密度(能量密度、功率密度是指單位重量的能量和功率，前者決定了電動汽車的續(xù)航里程和重量，后者決定了汽車的動力性)等主要性能指標(biāo)居國際先進(jìn)水平。電催化劑、復(fù)合膜、雙極板等關(guān)鍵材料也取得重要進(jìn)展。主要國產(chǎn)電動汽車的電池供應(yīng)商N(yùn)O. 1NO. 1 惠州比亞迪惠州比亞迪 主要產(chǎn)品

22、是方形磷酸鐵鋰動力電池， 主要供給比亞迪旗下的秦、E6、K9等新能源汽車。NO.2NO.2CATLCATL 主要從事動力鋰電池、儲能鋰電池等高新技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)、制造和銷售。 CATL動力電池的主要合作客戶是宇通、寶馬、一汽等。NO. 3NO. 3 力神力神 公司動力電池的主要合作客戶是天津公交集團(tuán)、宇通、東風(fēng)揚(yáng)子江、一汽客車、康迪、江淮汽車等。NO. 4NO. 4 國軒國軒 主要產(chǎn)品是磷酸鐵鋰動力電池。 公司動力電池的主要合作客戶是安凱、江淮、金龍、申沃、新大洋等。NO. 5NO. 5 沃特瑪沃特瑪 國內(nèi)最早成功研發(fā)磷酸鐵鋰新能源汽車動力電池，并率先實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和批量應(yīng)用的磷酸鐵鋰電池企業(yè)之一。 公司動力電池的主要合作客戶是五洲龍、金龍、揚(yáng)州亞星、鄭州海馬、中聯(lián)重科等。NO. 6NO. 6 萬向萬向 主營業(yè)務(wù)為鋰離子電池及由動力電池組裝的鋰離子電池系統(tǒng)的設(shè)計、服