電動汽車用鋰離子電池技術(shù)的國內(nèi)外進展簡析

1、電動汽車用鋰離子電池技術(shù)的國內(nèi)外進展簡析摘要：蓄電池及其管理系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。在以往幾年中，大部分企業(yè)在電動汽車研制中曾遭遇尷尬，主要是因為采用了鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池（Ni-MH）等?，F(xiàn)在，經(jīng)過研制與實驗比較，采用能量密度更高的鋰離子電池取代鉛和鎳氫電池，運用于汽車領(lǐng)域正成為一項核心技術(shù)，它具有重量輕、儲能大、功率大、無污染、也無二次污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍寬泛，是電動自行車、電動摩托車、電動小轎車、電動大貨車等較為理想的車用蓄電池。缺點是價格較貴、安全性較差。不過現(xiàn)在已有技術(shù)開發(fā)錳酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等新型材料，大大提高了鋰離子電池的安全性，而且降低了成本。

2、一、電動汽車電池技術(shù)獲得突破性發(fā)展 蓄電池及其管理系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。在以往幾年中，大部分企業(yè)在電動汽車研制中曾遭遇尷尬，主要是因為采用了鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池（Ni-MH）等。現(xiàn)在，經(jīng)過研制與實驗比較，采用能量密度更高的鋰離子電池取代鉛和鎳氫電池，運用于汽車領(lǐng)域正成為一項核心技術(shù)，它具有重量輕、儲能大、功率大、無污染、也無二次污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍寬泛，是電動自行車、電動摩托車、電動小轎車、電動大貨車等較為理想的車用蓄電池。缺點是價格較貴、安全性較差。不過現(xiàn)在已有技術(shù)開發(fā)錳酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等新型材料，大大提高了鋰離子電池的安全性，而且降低了成本。表：各種EV

3、蓄電池的特點對比鉛酸鎳-鎘鎳氫鋰離子傳統(tǒng)型鋰聚合物鉛酸 質(zhì)量能量密度；體積能量密度；工作溫度范圍；目放電率；可靠性質(zhì)量能量密度；體積能量密度；目放電率質(zhì)量能量密度；體積能量密度；電壓輸出；目放電率質(zhì)量能量密度；體積能量密度；結(jié)構(gòu)特點；目放電率鎳-鎘更好的可循環(huán)性；電壓輸出；價格質(zhì)量能量密度；體積能量密度質(zhì)量能量密度；體積能量密度；電壓輸出；目放電率質(zhì)量能量密度；體積能量密度；結(jié)構(gòu)特點；目放電率 鎳氫更好的可循環(huán)性；電壓輸出；價格工作溫度范圍；更好的可循環(huán)性；目放電率；可靠性質(zhì)量能量密度；體積能量密度；工作溫度范圍；目放電率；電壓輸出質(zhì)量能量密度；體積能量密度；結(jié)構(gòu)特點；目放電率鋰離子傳統(tǒng)型更好

4、的可循環(huán)性；安全；價格工作溫度范圍；更好的可循環(huán)性；價格；安全；可重復(fù)循環(huán)價格；安全；目放電率；重復(fù)循環(huán)質(zhì)量能量密度；體積能量密度；結(jié)構(gòu)特點；安全；價格鋰聚合物更好的可循環(huán)性工作溫度范圍；更好的可循環(huán)性；價格體積能量密度；更好的可循環(huán)性；價格工作溫度范圍；更好的可循環(huán)性絕對 優(yōu)勢更好的可循環(huán)性；價格工作溫度范圍；價格體積能量密度質(zhì)量能量密度；體積能量密度；目放電率；結(jié)構(gòu)特點質(zhì)量能量密度；體積能量密度；目放電率；電壓輸出；結(jié)構(gòu)特點 表：EV蓄電池關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)與美國先進蓄電池協(xié)作體公布指標比較比能量a (W/h/kg)比功率密度a (Wh/l)比功率b (W/kg)循環(huán)壽命b參考價格d (US$/

5、k Wh)閥控鉛酸30-4560-90200-300400-600150鎳-鎘40-6080-110150-350600-1200300鎳鋅60-65120-130150-300600-1200200-350鋅/空氣230269105NA c90-120鋁/空氣190-250190-2007-16NA cNA鈉/硫100150200800250-450鈉/氯化鎳11014915010001-230-350鋰聚合物155220315600NA鋰離子90-130140-200250-450800-1200200USABC2003004001000100 注：NA-數(shù)據(jù)不詳、a-C/3放電率、b-8

6、0%DOD、c-機械重充電、d-僅供參考、USABC-美國先進蓄電池協(xié)作體。 資料來源：陳清泉、孫立清，電動汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，科技導(dǎo)報，2005年4月，第23卷第4期 二、鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化動態(tài) 隨著成本的急劇降低和性能的大幅度提高，已有許多汽車生產(chǎn)廠家開始投入使用鋰離子電池。下表是主要鋰離子電池廠商研發(fā)與生產(chǎn)概要。截至2006年 10月為止，全球主要國家已有20余家車廠進行鋰離子電池研發(fā)。如富士重工與NEC合作開發(fā)廉價的單體（Cell）錳系鋰離子電池（即錳酸鋰電池），具有高安全性、低制造成本特點，在車載環(huán)境下的壽命高達12年、10萬公里，與純電動汽車的整車壽命相當(dāng)。東芝開發(fā)的可急速充電鋰離

7、子蓄電池組，除了小型、大容量的特點之外，采用了能使納米級微粒均一化固定技術(shù)，可使鋰離子均勻地吸附在蓄電池負極上，能在一分鐘之內(nèi)充電至其容量的80%，再經(jīng)6分鐘便可充滿電。美國的主要電池廠Johnson Controls針對電動車需求特性的鋰離子電池于2005年9月在威斯康星州Milwaukee設(shè)立研發(fā)地點，2006年1月另出資50%與法國電池廠 Saft共同成立Johnson ControlsSaft Advanced Power Solution （JCS）。JCS 于2006年8月承接了美國能源部(DOE)所主導(dǎo)2年USABC(United States Advanced Battery

8、Consortium)純電動車鋰離子電池研發(fā)計劃合約，另外亦與車廠簽約提供高功率鋰離子電池。表：主要鋰離子電池廠商研發(fā)與生產(chǎn)概要電池廠商產(chǎn)品概要Degussa AG/Enax2005年6月，德國Degussa與日本Enax分別各出資50%在中國成立Degussa Enax（Anqiu）Power Lion Technology 公司，生產(chǎn)鋰離子電池電極與銷售，該廠同時生產(chǎn)電動車用鋰離子電池電極，并供應(yīng)至中國與歐美日等國。Johnson ControlsSaft Advanced Power Solution （JCS）JCS 是Johnson Controls 與Saft 于2006年1月合并

9、的公司，Saft 于1995年開始研發(fā)電動車鋰離子電池，Johnson Controls 于威斯康星州的Milwaukee設(shè)廠生產(chǎn)專為電動車設(shè)計的鋰離子電池，2005年開始提供美國車廠鋰離子電池試作品。NEC Lamilion Energy2006年3月提供適合電動車用錳系鋰離子電池，車載電池壽命為2,700W/kg（25、10秒、SVOC50%），具高輸出特性，達成10年15萬公里等效距離運行測試，已有20余家車廠擁有研發(fā)實績。Sanyo電機2006年3月，日本德島工廠提供1,000組用鋰離子電池予車廠電動車試用，預(yù)定2007年量產(chǎn)。Panasonic EV Energy2005年10月To

10、yota對Panasonic EV Energy出資從40%提高至60%，已將其納入子公司，預(yù)定于2008年在Prius裝上可具備外部充電功能的鋰離子電池，目前正進行實用化性能評估與量產(chǎn)驗證。GS Yuasa？2004年3月，開始銷售電動車與不斷電系統(tǒng)鋰離子電池E-on EX25A（cell）與EX25A-7（模塊）。Hitachi Vehicle Energy, Ltd.）日立Vehicle Energy公司系于2004年6月，由新神戶電機43.7%、日立36.7%、日立macell 19.6%組成，專門生產(chǎn)電動車用錳系鋰離子電池。2005年6月研發(fā)小型、低成本之鋰離子電池控制模塊試作品（4

11、8cell），鋰離子電池配合新開發(fā)的控制裝置較傳統(tǒng)成本降低12.5%，精簡空間10%。Litcel（日本）2006年開發(fā)電動車驅(qū)動用Li-ion B4-40鋰離子電池組（pack），裝置于三菱Colt-EV車上進行實證測試，充電一次續(xù)航距離為150km，2010年時目標為240km。資料來源：FOURIN（2006/11）；臺灣工研院IEK（2007/1） 我國在鋰離子電池方面的研究水平，有多項指標超過了USABC提出的2010年長期指標所規(guī)定的目標，已能自主開發(fā)出用量在5080公斤以下，可適用于電動自行車、電動摩托車、電油混合動力車、油電混合動力電動車，行駛距離在80公里以內(nèi)的小型、輕型供上

12、下班使用的家用電動小轎車的鋰離子蓄電池，并有足夠好的安全行駛性能。從1997年開始產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗的蘇州星恒作為國家鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)化示范工程項目基地，其研發(fā)的動力電池組已通過美國UL和歐盟獨立組織Extra Energy的測試認證，并在蘇州建成第一條動力鋰離子電池的生產(chǎn)線并順利試產(chǎn)，目前已實現(xiàn)量產(chǎn)。 三、蓄電池技術(shù)還需繼續(xù)進一步發(fā)展 目前，鋰離子電池應(yīng)用于電動車的課題，有電池壽命機理（高功率電池老化特征、老化電池診斷、老化電池電化學(xué)模型、電池壽命預(yù)測方法開發(fā)）、電池的低溫性能表現(xiàn)（低溫性能特點、低溫電解質(zhì)模型、低溫性能模擬）、容許偏差、過熱偏差、過負載偏差、檢查診斷與降低電池成本（材料篩選與開發(fā)

13、、低成本制造）等。而長期探索研究主要集中在系統(tǒng)與材料兩方面。 一方面，各企業(yè)所公布的大部分純電動汽車蓄電池實驗室測試數(shù)據(jù)，如加速性能、充電時間、持續(xù)里程數(shù)等，還須在復(fù)雜的外部環(huán)境實際運行下，進一步驗證其可靠性，以及生產(chǎn)批量化質(zhì)量控制。另一方面，在我國鋰離子電池生產(chǎn)中，鋰離子電池所需隔膜材料未能有實質(zhì)性的突破，全部依靠進口，價格昂貴，占到動力電池成本的30%以上。如果在這一材料上實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，即可大幅度降低成本。 此外，有專家認為，從20世紀90年代初各國研究成功的電動汽車來看，雖然蓄電池的比能量比現(xiàn)在的新型電池要小，但是各種電動汽車測試達到的各項性能指標，對一般的使用者來說，也是可以滿足

14、的。當(dāng)時實現(xiàn)不了電動汽車產(chǎn)業(yè)化的主要原因，在于蓄電池的使用壽命太短。純電動汽車所使用的蓄電池組成本一般要占新車造價的二分之一，如果需要購車人在幾年之內(nèi)即更換蓄電池組，就意味著高額的使用成本。現(xiàn)在，第二代純電動汽車蓄電池比能量已經(jīng)有了很大的提高，生產(chǎn)蓄電池的材料與蓄電池的結(jié)構(gòu)也取得了很大的進步，但是其使用壽命并未獲得重大的突破。即使加速性能完全能達到或超過今天燃油車的最高水平，蓄電池充一次電的行駛里程能超過燃油車目前加一箱油的行駛里程，由于蓄電池壽命限制而造成的高額使用成本也將成為其商業(yè)化的一大瓶頸。附錄資料：不需要的可以自行刪除鋼筋閃光對焊工藝標準交底1 范圍本工藝標準適用于工業(yè)與民用建筑熱軋

15、鋼筋的連續(xù)閃光焊，預(yù)熱閃光焊、閃光預(yù)熱閃光焊。2 施工準備2.1材料及主要機具：2.1.1鋼筋：鋼筋的級別、直徑必須符合設(shè)計要求，有出廠證明書及復(fù)試報告單。進口鋼筋還應(yīng)有化學(xué)復(fù)試單，其化學(xué)成分應(yīng)滿足焊接要求，并應(yīng)有可焊性試驗。2.1.2 主要機具：對焊機具及配套的對焊平臺、防護深色眼鏡、電焊手套、絕緣鞋、鋼筋切斷機、空壓機、除銹機或鋼絲刷、冷拉調(diào)直作業(yè)線。常用對焊機主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表420。常用對焊機主要技術(shù)數(shù)據(jù) 表420焊機型號UN150UN175UN1100UN2150UN171501動夾具傳動方式杠桿擠壓彈簧(人力操縱)電動機凸輪氣一液壓額定容量KVA5075100150150負載持續(xù)率%

16、2520202050電源電壓V220/380220/380380380380次級電壓調(diào)節(jié)范圍V2.95.03.527.044.57.64.058.103.87.6次級電壓調(diào)節(jié)級數(shù)6881616連續(xù)閃光焊鋼筋最大直徑10121216162020252025預(yù)熱閃光焊鋼筋最大直徑mm20223236404040每小時最大焊接件數(shù) 5075203080120冷卻水消耗量 L/h200200200200600壓縮空氣壓力MPa0.550.6壓縮空氣消耗量M3/h1552.2 作業(yè)條件：2.2.1 焊工必須持有有效的考試合格證。2.2.2對焊機有配套裝置、冷卻水、壓縮空氣等應(yīng)符合要求。2.2.3 電源應(yīng)

17、符合要求，當(dāng)電源電壓下降大于5%，小于8%時，應(yīng)采取適當(dāng)提高焊接變壓器級數(shù)的措施；大于8%時，不得進行焊接。2.2.4 作業(yè)場地應(yīng)有安全防護設(shè)施，防火和必要的通風(fēng)措施，防止發(fā)生燒傷、觸電及火災(zāi)等事故。2.2.5 熟悉料單，弄清接頭位置，做好技術(shù)交底。3 操作工藝3.1 工藝流程：檢查設(shè)備選擇焊接工藝及參數(shù) 試焊、作模擬試件 送試 確定焊接參數(shù) 焊接 質(zhì)量檢驗3.1.1 連續(xù)閃光對焊工藝過程：閉合電路閃光/(兩鋼筋端面輕微接觸) 連續(xù)閃光加熱到將近熔點/(兩鋼筋端面徐徐移動接觸) 帶電頂鍛 無電頂鍛3.1.2 預(yù)熱閃光對焊工藝過程：閉合電路 斷續(xù)閃光預(yù)熱/(兩鋼筋端面交替接觸和分開) 連續(xù)閃光加

18、熱到將近熔點/(兩鋼筋端面徐徐移動接觸) 帶電頂鍛 無電頂鍛3.1.3 閃光-預(yù)熱閃光對焊工藝過程：閉合電路 一次閃光閃平端面/(兩鋼筋端面輕微徐徐接觸) 斷續(xù)閃光預(yù)熱/(兩鋼筋端面交替接觸和分開) 二次連續(xù)閃光加熱到將近熔點/(兩鋼筋端面徐徐移動接觸 帶電頂鍛 無電頂鍛3.2 焊接工藝方法選擇：當(dāng)鋼筋直徑較小，鋼筋級別較低，可采用連續(xù)閃光焊。采用連續(xù)閃光焊所能焊接的最大鋼筋直徑應(yīng)符合表421的規(guī)定。當(dāng)鋼筋直徑較大，端面較平整，宜采用預(yù)熱閃光焊；當(dāng)端面不夠平整，則應(yīng)采用閃光一預(yù)熱閃光焊。級鋼筋焊接時，無論直徑大小，均應(yīng)采取預(yù)熱閃光焊或閃光一預(yù)熱閃光焊工藝。連續(xù)閃光焊鋼筋上限直徑 表421焊機容

19、量(KVA)鋼筋級別鋼筋直徑(mm)150級級級252220100級級級20181675級級級1614123.3 焊接參數(shù)選擇：閃光對焊時，應(yīng)合理選擇調(diào)伸長度、燒化留量、頂鍛留量以及變壓器級數(shù)等焊接參數(shù)。3.4 檢查電源、對焊機及對焊平臺、地下鋪放的絕緣橡膠墊、冷卻水、壓縮空氣等，一切必須處于安全可靠的狀態(tài)。3.5 試焊、做班前試件；在每班正式焊接前，應(yīng)按選擇的焊接參數(shù)焊接6個試件，其中3個做拉力試驗，3個做冷彎試驗。經(jīng)試驗合格后，方可按確定的焊接參數(shù)成批生產(chǎn)。3.6 對焊焊接操作：3.6.1 連續(xù)閃光焊：通電后，應(yīng)借助操作桿使兩鋼筋端面輕微接觸，使其產(chǎn)生電阻熱，并使鋼筋端面的凸出部分互相熔化

20、，并將熔化的金屬微粒向外噴射形成火光閃光，再徐徐不斷地移動鋼筋形成連續(xù)閃光，待預(yù)定的燒化量消失后，以適當(dāng)壓力迅速進行頂鍛，即完成整個連續(xù)閃光焊接。3.6.2 預(yù)熱閃光焊：通電后，應(yīng)使兩根鋼筋端面交替接觸和分開，使鋼筋端面之間發(fā)生斷續(xù)閃光，形成燒化預(yù)熱過程。當(dāng)預(yù)熱過程完成，應(yīng)立即轉(zhuǎn)入連續(xù)閃光和頂鍛。3.6.3 閃光一頂熱閃光焊：通電后，應(yīng)首先進行閃光，當(dāng)鋼筋端面已平整時，應(yīng)立即進行預(yù)熱、閃光及頂鍛過程。3.6.4 保證焊接接頭位置和操作要求：3.6.4.1焊接前和施焊過程中，應(yīng)檢查和調(diào)整電極位置，擰緊夾具絲桿。鋼筋在電極內(nèi)必須夾緊、電極鉗口變形應(yīng)立即調(diào)換和修理。3.6.4.2 鋼筋端頭如起彎或成

21、“馬蹄”形則不得焊接，必須煨直或切除。3.6.4.3 鋼筋端頭120mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污，必須清除干凈。3.6.4.4 焊接過程中，粘附在電極上的氧化鐵要隨時清除干凈。3.6.4.5 接近焊接接頭區(qū)段應(yīng)有適當(dāng)均勻的鐓粗塑性變形，端面不應(yīng)氧化。3.6.4.6 焊接后銷冷卻才能松開電極鉗口，取出鋼筋時必須平穩(wěn)，以免接頭彎折。3.7 質(zhì)量檢查：在鋼筋對焊生產(chǎn)中，焊工應(yīng)認真進行自檢，若發(fā)現(xiàn)偏心、彎折、燒傷、裂縫等缺陷，應(yīng)切除接頭重焊，并查找原因，及時消除。4 質(zhì)量標準4.1 保證項目：4.1.1 鋼筋的品種和質(zhì)量必須符合設(shè)計要求和有關(guān)標準的規(guī)定。注：進口鋼筋需先經(jīng)過化學(xué)成分檢驗和焊接試驗，符合有關(guān)規(guī)

22、定后方可焊接。檢驗方法：檢查出廠證明書和試驗報告單。4.1.2 鋼筋的規(guī)格、焊接接頭的位置、同一截面內(nèi)接頭的百分比，必須符合設(shè)計要求和施工規(guī)范的規(guī)定。檢驗方法：觀察或尺量檢查。4.1.3 對焊接頭的力學(xué)性能檢驗必須合格。力學(xué)性能檢驗時，應(yīng)從每批接頭中隨機切取6個試件，其中3個做拉伸試驗，3個做彎曲試驗。 在同一臺班內(nèi)，由同一焊工完成的300個同級別、同直徑鋼筋焊接接頭作為一批。若同一臺班內(nèi)焊接的接頭數(shù)量較少，可在一周之內(nèi)累計計算。若累計仍不足300個接頭，則應(yīng)按一批計算。檢驗方法：檢查焊接試件試驗報告單。4.2 基本項目：鋼筋閃光對焊接頭外觀檢查結(jié)果，應(yīng)符合下列要求：4.2.1 接頭部位不得有橫向裂紋。4.2.2 與電極接觸處的鋼筋表面不得有明顯燒傷，級鋼筋焊接時不得有燒傷。檢驗方法：觀察檢查。4.3 允許偏差項目：4.3.1 接頭處的彎折角不大于4度。4.3.2 接頭處的軸線偏移，不大于0.1倍鋼筋直徑，同時不大于2mm。檢驗方法：目測或量測。5 成品保護焊接后