電動汽車用動力電池

國內外開展狀況及開展趨勢引言能源短缺和環境污染是目前汽車工業開展面臨的兩大挑戰，隨著世界汽車保有量的急劇增長，傳統內燃機汽車排放對環境的影響越來越嚴重。在這樣的形勢下，電動汽車作為新能源開發的突出代表已經成為取代傳統動力汽車，引領汽車行業的新時代的開展方向。而電動汽車電池既是開展電動汽車的核心，更是電力工業與汽車行業的關鍵結合點。電動汽車以電力驅動，行駛無排放(或低排放)，噪音低，能量轉化效率比內燃機汽車高很多，同時電動汽車還具有結構簡單、運行費用低等優點，平安性也優于內燃機汽車。但電動汽車目前還存在價格較高、續駛里程較短、動力性能較差等問題，而這些問題都是和蓄電池技術密切相關的，電動汽車實用化的難點仍然在于電池技術，特別是化學電池技術。目前制約電動汽車開展的關鍵因素是動力蓄電池不理想，所以，電動汽車應用的關鍵在于對蓄電池的研究。要點:一.電動汽車電池種類，優缺點及應用車型二.電池性能指標分析三.當前電動汽車蓄電池的技術難題四.國內外的主要研究及開展動向一．電動汽車電池種類，優缺點及應用車型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鋰離子電池使用的正極材料。優點：平安性能高、壽命長、高溫性能好、大容量、無記憶效應、重量輕、環保。缺點：振實密度與壓實密度很低，導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。應用車型：比亞迪唐、騰勢電動車、東風風神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權的磷酸鐵鋰電池。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。騰勢電動車騰勢充分借鑒了比亞迪多年在電動車領域的經驗，運用了多項創新技術，以滿足消費者的日常需求。該車搭載容量為47.5千瓦時的磷酸鋰鐵〔LFP〕電池，續航里程為300公里。

東風風神E30EV

風神E30的動力系統由一臺25kW的永磁直流電動機和18kWh的磷酸鐵鋰電池組成，最大扭矩80N·m，最高時速為每小時80公里。單次充電續航里程為160公里。可以在8小時內充滿電，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極材料、使用非水電解質溶液的電池。最早出現的鋰電池來自于偉大的創造家愛迪生，使用以下反響：Li+MnO2=LiMnO2，該反響為氧化復原反響，放電。優點：能量密度高、使用壽命長、重量輕、上下溫適應性強、綠色環保、額定電壓高、具備高功率承受力、自放電率很低、生產根本不消耗水等特點，現在已成為了電動汽車的主流車用電池。缺點：平安性差、不能大電流放電、價格昂貴、生產要求條件高、本錢高、使用條件有限制、上下溫使用危險大。應用車型：福特福克斯EV、福特C-MAXEnergi、豐田普銳斯、三菱iMiEV、日產聆風、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將配備四輪驅動系統。據悉，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，續航里程更長，高配車型還有望搭載四輪驅動系統。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采用了電池組的戰略，85kWh的MODELS的電池單元一共運用了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。鈷酸鋰電池具有結構穩定、容量比高、綜合性能突出、但是其平安性差而且本錢非常高，主要用于中小型號電芯，標稱電壓3.7V。TESLA把這樣的電池組合到一起，平安性就成了一個很需要關注的問題，TESLA的工程師在電池包內的保險裝置分布到每一節18650鈷酸鋰電池，每一節18650鈷酸鋰電池兩端均設有保險絲，當電池出現過熱或電流過大時，保險絲會切斷，以此防止因某個電池出現異常情況〔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車上的電池。鈷酸鋰電池組相對于其他的電池來說續航里程、電池總容量也相對于其他的電池要高，如果鈷酸鋰電池的平安性再提高一點，那么其在電動汽車上的推廣便可以不僅在特斯拉上。電池技術目前仍在不斷地進行著革新，目前三元鋰電池的時代在慢慢到來〔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品可以大規模實用化。高鐵電池是以合成穩定的高鐵酸鹽〔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、無污染的新型化學電池鐵電池。特點：體積小、重量輕、壽命長、無污染缺點："鐵電池"生產過程中對工藝要求非常高，如果把握不好，電池肯定會出現很多小問題。并且鐵電池的價格也不菲，國內生產的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，市場價大約要12萬元。應用車型：比亞迪e6、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生產的ET-POWER鐵電池，不會對環境造成任何危害，其含有的所有化學物質均可在自然界中被環境以無害的方式分解吸收，能夠很好地解決二次回收等環保問題，是綠色環保的電池。鐵電池經過高溫、高壓、撞擊等試驗測試，平安性能非常好，短路爆炸時機不高。在能量補充方面，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能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能"儲電"而是一個"發電廠"。優點：能量轉化效率高；安裝地點靈活；負荷響應快，運行質量高；具有很強的過負載能力等。缺點：燃料電池造價偏高、碳氫燃料無法直接利用、氫氣儲存技術受限、氫燃料根底建設缺乏等。應用車型：豐田FCV豐田FCV

豐田從22年前就開始研發燃料電池汽車，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構。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。借助氫燃料動力這款車型將有著最高達300英里(約482公里)的續航里程。5.液態電池：液體電池由一將電化學活性電極浸泡在裝滿電解液的玻璃容器組成的電池。大多數電池，包括筆記本電腦和電視機遙控器上使用的電池，都使用固體材料如鋅或鈷鋰充當陰極，石墨充當陽極，液體鹽溶液充當電解質膜。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。優點：能量密度高、穩定耐用、充電速度更快、更加環保、可以維持超過14000次循環。缺點：本錢高。應用車型：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開發的Quant.e-Sportlimousine概念超跑動力系統十分強勁，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，性能遠超特斯拉堪比McLarenP1。Quante-Sportlimousine使用NanoFlowcell-AG公司開發的一種新型液態電解質電池。這種電池采用鹽水作為存儲能量的介質。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。而且它更穩定耐用，充電速度更快、同時也更加環保。6.鎳鎘電池：應用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池；比能量可達55W?h／kg，比功率超過190W／kg；可快速充電；循環使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可到達2000屢次，但價格為鉛酸蓄電池的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勢，因此其長期的實際使用本錢并不高。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。目前生產電動汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovine公司，它現有80A?h和130A?h兩種單元電池，并由此構成30kw?h和50kw?h兩種規格的電池。其比能量達75-80W?h/kg，比功率達160－230W／kg，循環使用壽命超過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。估計隨著鎳氫蓄電池技術的開展，其比能量可超過80w?h／kg，循環使用壽命可超過2000次，遠景價格可降至150美元/Kw?h。通用汽車公司已把它作為今后幾年電動汽車優先考慮蓄電池。8.鈉硫電池：鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發生的可逆反響，形成能量的釋放和儲存。優點：一個是比能量(即電池單位質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：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.電池性能指標分析電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車開展的關鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量、能量密度、比功率、循環壽命和本錢等。要使電動汽車具有競爭力，就要開發出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。各類電池指標比較：充電時間：充電技術影響充電站開展的關鍵。一般而言給車用動力蓄電池進行一般充電需要2h以上，目前的快速充電技術可以將充電時間縮短到20min以內〔即在短時間內給電池充60%以上的電量〕，充電模式影響分析見表。三．當前電動汽車蓄電池的技術難題(1)電池平安性得不到保障。目前中小容量鋰離子電池的產業化已經非常成功，但大容量、高功率鋰離子動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，未能實現突破。目前市場上使用的電動汽車一次充電后的續駛里程一般為100km～300km，并且這還需要保持適當的行駛速度及具有良好的電池調節系統才能得到保證，而絕大多數電動汽車一般行駛環境下續駛里程只有50km～100km。(3)電池循環壽命短。普通蓄電池充放電次數僅為300～400次，即使性能良好的蓄電池充放電次數也不過700～900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)電池質量和尺寸制約。現有電動汽車電池的外體積一般要到達550L。當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。現有電動汽車所使用的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350美元/kwh，本錢太高，用戶難以承受。(6)對環境的污染嚴重。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，再到廢棄后的處理，都會對環境造成污染。四．國內外的主要研究及開展動向1.開展重點及目標：(1)近期：以改進型鉛酸和Cd-Ni電池為主鉛酸電池廉價，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動力源應用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環次數仍存在嚴重的限制。未來使用鉛酸電池來驅動在高速公路上行駛的電動汽車是不實際的，但價格優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廉價的優勢，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點；目前，大量地應用于混合動力車，隨著鋰離子電池的大規模生產和本錢的降低，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鍵的動力電池之一。鋰硫電池為二次鋰電池，由單質硫、金屬鋰和有機電解液組成，具有比能量高、本錢低、環境友好的特點。

(3)遠期：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點：工作電壓高〔是鎳鎘電池氫-鎳電池的3倍〕；比能量大〔可達165WH/㎏，是氫鎳電池的3倍〕；體積小；質量輕；循環壽命長；自放電率低；無記憶效應；無污染等。如果采用鋰離子電池，電動汽車本錢難以降低。據有關資料顯示，全球汽車鋰電池的生產企業主要有二十多家，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，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業的合并公司PanasonicEVEnergy等十來家相關企業。中投參謀產業研究中心數據顯示，據目前在混合電動汽車上所使用的鎳氫電池幾乎大局部是由日本企業制造的，日本的豐田公司與本田公司主導著與混合電力汽車相關的技術，兩家公司在世界市場上的占有率超過85%。以現代汽車公司與LG化學公司為主力的韓國企業從2004年開始的5年以來，作為第二代電池成長動力產業的一環，在混合電動汽車用高輸出動力的鋰電池開發方面已經投入了160億韓元的預算。另外，去年韓國知識經濟部決定在5年內，對內置型混合電力汽車用的移動電池與相關系統的開發方面援助400億韓元，并在2023年開始大規模生產。2.我國電池企業研發現狀：動力電池研發產品的主要性能居國際先進水平，電池產業根底雄厚，但需要解決一些薄弱環節。我國動力電池關鍵技術、關鍵材料和產品研發取得重大進展，與日本、美國、德國等國際先進水平比較，總體水平相當，比亞迪、力神、雷天等企業開發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航里程和重量，后者決定了汽車的動力性)等主要性能指標居國際先進水平。電催化劑、復合膜、雙極板等關鍵材料也取得重要進展。主要國產電動汽車的電池供給商

NO.1

惠州比亞迪

主要產品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.2

CATL

主要從事動力鋰電池、儲能鋰電池等高新技術產品的研發、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.3

力神

公司動力電池的主要合作客戶是天津公交集團、宇通、東風揚子江、一汽客車、康迪、江淮汽車等。

NO.4

國軒

主要產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.5

沃特瑪國內最早成功研發磷酸鐵鋰新能源汽車動力電池，并率先實現規模化生產和批量應用的磷酸鐵鋰電池企業之一。公司動力電池的主要合作客戶是五洲龍、金龍、揚州亞星、鄭州海馬、中聯重科等。NO.6

萬向主營業務為鋰離子電池及由動力電池組裝的鋰離子電池系統的設計、效勞及技術升級。萬向億能動力專利技術來自于美國Ener1公司，使用的是Ener1