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

電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池

國內(nèi)外開展?fàn)顩r及開展趨勢引言能源短缺和環(huán)境污染是目前汽車工業(yè)開展面臨的兩大挑戰(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(duì)環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重。在這樣的形勢下，電動(dòng)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(dòng)力汽車，引領(lǐng)汽車行業(yè)的新時(shí)代的開展方向。而電動(dòng)汽車電池既是開展電動(dòng)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(diǎn)。電動(dòng)汽車以電力驅(qū)動(dòng)，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(shí)電動(dòng)汽車還具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，平安性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車。但電動(dòng)汽車目前還存在價(jià)格較高、續(xù)駛里程較短、動(dòng)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(dòng)汽車實(shí)用化的難點(diǎn)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(dòng)汽車開展的關(guān)鍵因素是動(dòng)力蓄電池不理想，所以，電動(dòng)汽車應(yīng)用的關(guān)鍵在于對(duì)蓄電池的研究。要點(diǎn):一.電動(dòng)汽車電池種類，優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用車型二.電池性能指標(biāo)分析三.當(dāng)前電動(dòng)汽車蓄電池的技術(shù)難題四.國內(nèi)外的主要研究及開展動(dòng)向一．電動(dòng)汽車電池種類，優(yōu)缺點(diǎn)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材料。優(yōu)點(diǎn)：平安性能高、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(diǎn)：振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低；材料的制備本錢與電池的制造本錢較高，電池成品率低，一致性差。應(yīng)用車型：比亞迪唐、騰勢電動(dòng)車、東風(fēng)風(fēng)神E30、江淮和悅iEV4、通用賽歐Springo、長安逸動(dòng)純電動(dòng)、榮威550Plug-in等。比亞迪唐比亞迪秦的純電動(dòng)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(huì)大于13kWh。比亞迪唐的電池采用的是比亞迪擁有自主知識(shí)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較高的車身。騰勢電動(dòng)車騰勢充分借鑒了比亞迪多年在電動(dòng)車領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用了多項(xiàng)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(shí)的磷酸鋰鐵〔LFP〕電池，續(xù)航里程為300公里。

東風(fēng)風(fēng)神E30EV

風(fēng)神E30的動(dòng)力系統(tǒng)由一臺(tái)25kW的永磁直流電動(dòng)機(jī)和18kWh的磷酸鐵鋰電池組成，最大扭矩80N·m，最高時(shí)速為每小時(shí)80公里。單次充電續(xù)航里程為160公里。可以在8小時(shí)內(nèi)充滿電，快速充電只要半小時(shí)。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創(chuàng)造家愛迪生，使用以下反響：Li+MnO2=LiMnO2，該反響為氧化復(fù)原反響，放電。優(yōu)點(diǎn)：能量密度高、使用壽命長、重量輕、上下溫適應(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)根本不消耗水等特點(diǎn)，現(xiàn)在已成為了電動(dòng)汽車的主流車用電池。缺點(diǎn)：平安性差、不能大電流放電、價(jià)格昂貴、生產(chǎn)要求條件高、本錢高、使用條件有限制、上下溫使用危險(xiǎn)大。應(yīng)用車型：福特福克斯EV、福特C-MAXEnergi、豐田普銳斯、三菱iMiEV、日產(chǎn)聆風(fēng)、特斯拉ModelS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(dòng)系統(tǒng)。據(jù)悉，新一代豐田普銳斯入門級(jí)車型將采用鎳氫電池，高端車型將采用鋰離子電池，續(xù)航里程更長，高配車型還有望搭載四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。鈷酸鋰電池：TESLA的專屬電池TESLA電動(dòng)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(shí)。TESLA采用了電池組的戰(zhàn)略，85kWh的MODELS的電池單元一共運(yùn)用了8142個(gè)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(gè)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、但是其平安性差而且本錢非常高，主要用于中小型號(hào)電芯，標(biāo)稱電壓3.7V。TESLA把這樣的電池組合到一起，平安性就成了一個(gè)很需要關(guān)注的問題，TESLA的工程師在電池包內(nèi)的保險(xiǎn)裝置分布到每一節(jié)18650鈷酸鋰電池，每一節(jié)18650鈷酸鋰電池兩端均設(shè)有保險(xiǎn)絲，當(dāng)電池出現(xiàn)過熱或電流過大時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)切斷，以此防止因某個(gè)電池出現(xiàn)異常情況〔過熱或電流過大〕時(shí)影響到整個(gè)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的工程師的包裝上平安性根本上可以忽略。顯然，這樣的解決方案還是很適合在純電動(dòng)汽車上開展。從上面的表格里可以更加直觀的比較幾種用在電動(dòng)車上的電池。鈷酸鋰電池組相對(duì)于其他的電池來說續(xù)航里程、電池總?cè)萘恳蚕鄬?duì)于其他的電池要高，如果鈷酸鋰電池的平安性再提高一點(diǎn)，那么其在電動(dòng)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(shí)代在慢慢到來〔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(shí)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(diǎn)：體積小、重量輕、壽命長、無污染缺點(diǎn)："鐵電池"生產(chǎn)過程中對(duì)工藝要求非常高，如果把握不好，電池肯定會(huì)出現(xiàn)很多小問題。并且鐵電池的價(jià)格也不菲，國內(nèi)生產(chǎn)的40Ah容量磷酸鐵鋰電池組本錢在3萬元到4萬元之間，如果是120Ah的磷酸鐵鋰電池組，市場價(jià)大約要12萬元。應(yīng)用車型：比亞迪e6、比亞迪F3DM比亞迪e6比亞迪e6動(dòng)力電池和啟動(dòng)電池均采用比亞迪自主研發(fā)生產(chǎn)的ET-POWER鐵電池，不會(huì)對(duì)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(yàn)測試，平安性能非常好，短路爆炸時(shí)機(jī)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(FuelCell)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，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能"儲(chǔ)電"而是一個(gè)"發(fā)電廠"。優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高；安裝地點(diǎn)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(diǎn)：燃料電池造價(jià)偏高、碳?xì)淙剂蠠o法直接利用、氫氣儲(chǔ)存技術(shù)受限、氫燃料根底建設(shè)缺乏等。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(tái)SUV型的FCV銷售出去，對(duì)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(dòng)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。而此液體電池那么不同，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(diǎn)：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(diǎn)：本錢高。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NanoFlowcellAG開發(fā)的Quant.e-Sportlimousine概念超跑動(dòng)力系統(tǒng)十分強(qiáng)勁，最大功率680kW，最高350km/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McLarenP1。Quante-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(chǔ)能量的介質(zhì)。鹽水會(huì)通過兩個(gè)水箱之間的隔膜形成電荷，電力被儲(chǔ)存和分配給超級(jí)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(shí)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)55W?h／kg，比功率超過190W／kg；可快速充電；循環(huán)使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可到達(dá)2000屢次，但價(jià)格為鉛酸蓄電池的4－5倍。初期購置本錢雖高，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(shí)際使用本錢并不高。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(dòng)汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovine公司，它現(xiàn)有80A?h和130A?h兩種單元電池，并由此構(gòu)成30kw?h和50kw?h兩種規(guī)格的電池。其比能量達(dá)75-80W?h/kg，比功率達(dá)160－230W／kg，循環(huán)使用壽命超過600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動(dòng)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(jià)格較高，目前尚未大批量生產(chǎn)。估計(jì)隨著鎳氫蓄電池技術(shù)的開展，其比能量可超過80w?h／kg，循環(huán)使用壽命可超過2000次，遠(yuǎn)景價(jià)格可降至150美元/Kw?h。通用汽車公司已把它作為今后幾年電動(dòng)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?yàn)檎龢O、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)生的可逆反響，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)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(gè)是可大電流、高功率放電。缺點(diǎn)：其工作溫度在300-350℃，所以，電池工作時(shí)需要一定的加熱保溫。二.電池性能指標(biāo)分析電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車開展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量、能量密度、比功率、循環(huán)壽命和本錢等。要使電動(dòng)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(shí)間：充電技術(shù)影響充電站開展的關(guān)鍵。一般而言給車用動(dòng)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(shí)間縮短到20min以內(nèi)〔即在短時(shí)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(dòng)汽車蓄電池的技術(shù)難題(1)電池平安性得不到保障。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(dòng)力電池的平安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大。(2)電池容量有限，未能實(shí)現(xiàn)突破。目前市場上使用的電動(dòng)汽車一次充電后的續(xù)駛里程一般為100km～300km，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(dòng)汽車一般行駛環(huán)境下續(xù)駛里程只有50km～100km。(3)電池循環(huán)壽命短。普通蓄電池充放電次數(shù)僅為300～400次，即使性能良好的蓄電池充放電次數(shù)也不過700～900次，按每年充放電200次計(jì)算，一個(gè)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。現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池的外體積一般要到達(dá)550L。當(dāng)把這么大體積的電池用于家庭轎車上時(shí)，就必然要擠占轎車的行李廂空間?，F(xiàn)有電動(dòng)汽車所使用的電池都不能在儲(chǔ)存足夠能量的前提下保持合理的尺寸和質(zhì)量。(5)電池價(jià)格昂貴。電動(dòng)汽車蓄電池的價(jià)格約為100美元/kwh，有的甚至高達(dá)350美元/kwh，本錢太高，用戶難以承受。(6)對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重。目前使用的動(dòng)力電池主要為鉛酸動(dòng)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(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。四．國內(nèi)外的主要研究及開展動(dòng)向1.開展重點(diǎn)及目標(biāo)：(1)近期：以改進(jìn)型鉛酸和Cd-Ni電池為主鉛酸電池廉價(jià)，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動(dòng)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(dòng)在高速公路上行駛的電動(dòng)汽車是不實(shí)際的，但價(jià)格優(yōu)勢使其在輕度混合或者短途行駛的電動(dòng)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(dòng)車〞中有一種超級(jí)電池是超級(jí)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(jià)格廉價(jià)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(diǎn)；目前，大量地應(yīng)用于混合動(dòng)力車，隨著鋰離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和本錢的降低，鎳氫電池終將退出。鎳氫電池是電動(dòng)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(dòng)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)電解液組成，具有比能量高、本錢低、環(huán)境友好的特點(diǎn)。

(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(dòng)汽車的動(dòng)力電池，因?yàn)殇囯x子動(dòng)力電池有以下優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)汽車本錢難以降低。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，而日本那么走在全球前列，有美國的A123、江森自控(JohnsonControls)；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)、GSYuasa、豐田汽車和松下電器產(chǎn)業(yè)的合并公司PanasonicEVEnergy等十來家相關(guān)企業(yè)。中投參謀產(chǎn)業(yè)研究中心數(shù)據(jù)顯示，據(jù)目前在混合電動(dòng)汽車上所使用的鎳氫電池幾乎大局部是由日本企業(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(dòng)力產(chǎn)業(yè)的一環(huán)，在混合電動(dòng)汽車用高輸出動(dòng)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(shí)經(jīng)濟(jì)部決定在5年內(nèi)，對(duì)內(nèi)置型混合電力汽車用的移動(dòng)電池與相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)方面援助400億韓元，并在2023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(dòng)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)根底雄厚，但需要解決一些薄弱環(huán)節(jié)。我國動(dòng)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(gè)系列的車用動(dòng)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(dòng)汽車的續(xù)航里程和重量，后者決定了汽車的動(dòng)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(dòng)汽車的電池供給商

NO.1

惠州比亞迪

主要產(chǎn)品是方形磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，主要供給比亞迪旗下的秦、E6、K9等新能源汽車。

NO.2

CATL

主要從事動(dòng)力鋰電池、儲(chǔ)能鋰電池等高新技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)、制造和銷售。

CATL動(dòng)力電池的主要合作客戶是宇通、寶馬、一汽等。

NO.3

力神

公司動(dòng)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.4

國軒

主要產(chǎn)品是磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。

公司動(dòng)力電池的主要合作客戶是安凱、江淮、金龍、申沃、新大洋等。

NO.5

沃特瑪國內(nèi)最早成功研發(fā)磷酸鐵鋰新能源汽車動(dòng)力電池，并率先實(shí)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(dòng)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.6

萬向主營業(yè)務(wù)為鋰離子電池及由動(dòng)力電池組裝的鋰離子電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、效勞及技術(shù)升級(jí)。萬向億能動(dòng)力專利技術(shù)來自于美國Ener1公司，使用的是Ener1