报告:国内外新能源汽车动力电池发展及供求现状

导语

车用动力电池系统技术己成为电动汽车走向普及的瓶颈,需要从材料开发、电池设计、生产制造、系统集成、商业模式等多方面进行探索和突破。

新能源汽车动力电池系统开发涉及材料、化学、机械、热力学、传热学、流体力学、电学、系统与控制多个学科,其关键技术包括电池组配技术、热管理技术、电能管理技术和安全管理技术等。车用动力电池系统技术己成为电动汽车走向普及的瓶颈,需要从材料开发、电池设计、生产制造、系统集成、商业模式等多方面进行探索和突破。

1、新能源汽车动力电池的分类

新能源汽车动力电池可以分为蓄电池和燃料电池两大类,蓄电池用于纯电动汽车(EV),混合动力电动汽车(HEV)及插电式混合动力电动汽车(PHEV);燃料电池专用于燃料电池汽车(FCV)。

1.1蓄电池

蓄电池在纯电动汽车中是驱动系统唯一动力源,主要有镍镉、镍氢和锂离子电池等。目前,锂离子电池处于高速发展阶段,在诸如日产Leaf、丰田普锐斯plug-in、特斯拉Model S、通用Volt、福特Focus EV以及宝马i3等新能源汽车上都采用锂离子电池。此外,锂资源较为丰富,价格也不贵,可以说锂离子电池是蓄电池中目前最被市场看好的动力电池。4类蓄电池的性能比较见图1。

1.2燃料电池

燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转化为电能的装置。燃料电池不需要充电,具有比能量高、使用寿命长、维护工作量少以及能连续大功率供电等优点。另外,燃料电池汽车可达到与燃油汽车相同的续驶里程。

根据电解质的不同,燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池5类。目前,质子交换膜燃料电池在燃料电池汽车中的应用较多,是未来新能源汽车动力电池领域极具竞争力的电池类型。

2、新能源动力电池产业技术概况

由于不同类型新能源汽车中,车用动力电池的使用方式有较大区别,因此对于其性能要求有较大区别。HEV有汽油发动机作为动力来源,更强调加速性能和爬坡能力,因此更注重电池的比功率(要求高达800一1200 W/kg);PHEV和EV完全以电池作为动力,更强调充电后的续驶能力,因而更关注电池的比能量(要求达到100一160Wh/kg)(见表1)。

由于各自性能、材料、成本等存在显著差异,因此不同类型动力电池的使用前景不同。目前技术最成熟的是镍氢动力电池,但商业化最成功的是锂离子电池,燃料电池则被广泛视作远期目标。

当前,动力电池类别中增长最快的是锂电池。2012年以来,锂电池行业保持高速增长并加快了对传统电池的替代。业内预计,锂电池的增长速度依然能保持年均近25%且成本会不断下降。

近几年来,燃料电池技术也己取得了重大进展。丰田、现代研发的燃料电池车也己处于上市的前夜。在国内,上汽集团的燃料电池车处于领先地位。2010年上海世博会期间该车型被用作贵宾接待用车。2011年,在德国柏林举行的第十一届必比登挑战赛上,上汽集团在燃料电池汽车组拉力赛中位列总分第三,仅次于丰田和奥迪。

目前,国内外燃料电池的技术现状见表2。

国内外新能源汽车动力电池发展及供求现状

截止2014年12月,各大车企的燃料电池车尚处于试验验证状态,只有丰田FCV一款燃料电池产品宣布量产上市。下文将以市场上发展较快的锂动力电池为例,对其产业化现状进行分析。

2.1新能源汽车动力电池主流:锂离子电池

在现有的新能源汽车动力电池中,锂离子电池生产成本相对较低,重复充电利用非常方便,相比其他可携带能源具有更高的成本优势。因此,这类电池成为了目前最受欢迎的动力源(见表3)。

2.2锂离子动力电池产业现状

目前锂离子电池的主要生产国是日本、韩国和中国。其中,日本和韩国占全球动力电池市场近70%,主要是因为其专业分工明确,行政壁垒较少,整车厂和系统集成商的系统集成能力远高于中国纯电动汽车生产商。

近年来,我国新能源汽车中使用锂离子电池比例不断升高,锂电池市场空间广阔。按照新能源汽车发展规划路线,2015年国内纯电动汽车销量达到50万辆,混合动力占全部汽车销量的30% ;2020年,纯电动汽车将突破500万辆,以混合动力为代表的节能汽车达到全部汽车销量的75 %。

2.3锂离子动力电池技术发展趋势

锂离子动力电池主要由正极材料、负极材料、电解液和电池隔膜4部分组成(见表4)。

当前正在使用和开发的锂电池正极材料主要包括钴酸锂、镍钴酸锂、镍锰钴三元材料,尖晶石型的锰酸锂,橄榄石型的磷酸铁锂等。根据正极材料分类发展锂离子动力电池路线主要有3条:改性锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂。目前钴酸锂依然是小型锂电领域正极材料的主力,主要用于传统3C (Computer, Communication和Consumer E-lectronic)领域等;三元材料和锰酸锂主要用于电动工具、电动自行车和电动汽车等领域,在日本与韩国其作为动力电池的技术较成熟;磷酸铁锂主要在国内的动力电池领域应用,另外还用于基站和数据中心储能、家庭储能、风光电储能等领域。

锂电池产品技术的发展将呈现如下趋势。

(1)钴酸锂将逐渐被三元材料替代。三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点,具有价格优势。虽然特斯拉旗下首款车型Roadster推出时使用的是18650钴酸锂电池,但其第二款量产车型Model S使用的是松下定制的三元材料电池,即镍钴铝三元正极材料电池。钴酸锂电池成本高的特征在特斯拉前后两款车型的对比中表现得十分明显。Model S使用的电池数量达到8000节以上,比Roadster高出1000多节,但是成本却下降了30%。目前,高性能动力锂电池用NCM三元材料己在国外大量使用,但中国企业尚无量产产品出现。

(2)锰酸锂占比将上升。相对于钴酸锂正极材料,锰酸锂具有原料丰富、价格低廉及无毒性等优点。层状锰酸锂LiMnO?用作锂离子电池正极材料的缺点是虽然容量很高,但在高温下不稳定,而且在充放电过程中易向尖晶石结构转变,导致容量衰减过快。锰酸锂材料的应用集中在消费类电池市场,动力电池以电动自行车电池为主。

(3)磷酸铁锂仍存较大技术提高空间。磷酸铁锂正极材料的低温性能和倍率放电己经可以达到钴酸锂的水平,目前同样是有希望的动力电池材料。但是受制于技术瓶颈,磷酸铁锂电池一致性和单位能量密度较低。在国内,己有较为成熟的磷酸铁锂储能系统,但目前中国磷酸铁锂材料产业化的发展仍低于发达国家的水平。

在动力电池正极材料产业领域,中、日、韩、美动力电池企业采用不同的材料体系;中国企业以磷酸铁锂为主,日韩企业以锰酸锂和三元材料为主。预测到2015三元材料在正极材料中的占比将上升至35%锰酸锂占比将上升至30%,而钴酸锂将下降至25% 。

2.4国外新能源汽车车载锂电池厂商及其产品供求现状

2012年起,各大车企都陆续上市了PHEV和HEV。PHEV方面,继丰田2012年1月开始销售“普锐斯PHEV”之后,2012年秋季至2013年初,本田推出新款雅阁的PHEV款、福特推出C-MAX Energi和Fusion Energi、沃尔沃上市V60 PHEV等。HEV方面,德国厂商开始逐渐全面推出产品。2012年,宝马上市ActiveHybrid 5和ActiveHybrid 3戴姆勒上市E400 Hybrid和E300 B1ueTEC Hybrid大众上市“捷达混合动力车”。

与此同时,车载锂离子充电电池市场也开始形成,引领市场发展的正是EV用锂电池。这是因为以日产的聆风为首,三菱汽车的i-MiEV、丰田iQ、特斯拉的Model S和宝马i3等配备锂电池的EV相继上市的结果。

随着电动汽车全面投放市场,各家汽车厂商所使用的电池厂商阵容也变得丰富与明朗起来(图2)。在车载锂离子充电电池领域,除了独立厂商韩国LG化学、三星和日立外,还有AESC,Lithium Energy Japan,Primearth EV Energy(PEVE)和Blue Energy等与汽车厂商合资成立的车载电池公司,并己向多家汽车厂商供货。如,松下2012年起为福特的Fusion Hybrid和Fusion Energi分别供货5Ah单元和20.5Ah单元锂离子充电电池;此外,松下还为特斯拉汽车的EV "Model S”和"Model X”供货镍钴铝酸锂18650单体锂电池。

日本电池厂商东芝的车载锂离子充电电池负极材料采用钛酸锂,具有安全性高、寿命长、低温特性出色的特点。缺点是单元的平均电压只有2. 5 V左右,比以往的锂离子充电电池低1 V以上。因此,配备200-400V高电压电池组的EV需要大量串联电池单元,电池行业认为“难以采用”。但实际上,该单元除了己经用于三菱汽车的i-MiEV和MINICAB MiEV的部分车型上,本田的“飞度EV”也己采用,因为该电池的SOC即使在变动较大的范围内使用也很少发生劣化,低温特性较高、电池的极限值高等特点也适合EV使用。

在独立的日本厂商中,日立车辆能源除了为通用的HEV "LaCrosse”和“Regal”供货外,还为日产新一代HEV供货。

美国厂商方面,美国A123Systems(被万向集团收购后更名B456 Systems)的锂离子充电电池用于宝马的ActiveHybrid 5和ActiveHybrid 3、美国菲斯克汽车的PHEV "Karma”以及新款EV "Spark EV”上。A123 Systems的锂离子充电电池的特点是,正极材料采用磷酸铁锂( LFP),向宝马供货圆筒型单元,向菲斯克和通用供货层压型单元。

随着锂电池产品的研发与应用,各公司在电池组设计方面的思想逐渐出现差异。丰田、日产和本田等日本厂商的电池组趋于采用空冷式,并尽量简化构造从而降低成本,而欧美厂商大多倾向于采用水冷式,并以特定的小范围管理单元的充电状态和温度。其中,德国厂商表现出了使单元容量和外形尺寸等标准化,从而实现各车型通用的想法。而丰田等仍然坚持认为,不同车辆的配备空间各不相同,应该从多种单元中选择最合适的产品配备,实现单元的标准化比较难。

3、我国动力电池发展需克服的问题

我国目前车用动力电池技术路线选择的是与美国相同的磷酸铁锂路线,但锂电池技术整体水平仍落后于美国、日本。例如日本电池平均能量密度要高出中国平均水平的30%-40%,充电次数也能达到中国的几倍。我国锂离子电池产业发展尚需克服以下问题。

(1)知识产权问题。磷酸铁锂的正极材料专利由美国德州大学Goodenough团队在1996年获得。加拿大H-Q和Phostech则取得其独家专利和商业授权。目前陆续发展出了敷碳、金属氧化物包覆、纳米化等改性和制备技术,藉此提高磷酸锂铁粉体的导电性,并派生出更多专利。因此,专利问题是国内磷酸铁锂制造企业难以避开的问题。

(2)制造一致性问题。电动汽车所用的锂电池都是串联或并联在一起,如果一致性问题得不到有效解决,所生产的锂电池也就无法大规模应用于电动汽车。

(3)成组后安全性和寿命问题。大功率充放电的大容量锂离子动力电池组,在苛刻的使用条件下更易诱发电池某个部分发生偏差,从而引发安全问题。单体磷酸铁锂电池寿命可超过2000次,但由上百块单体电池串并联后,整个电池组的寿命可能只有500次,必须使用电池管理系统(BMS)对电池组进行合理有效的管理和控制。

(4)高能量和高功率兼容问题。锂离子动力电池虽然具有高能量密度,可使电动汽车匀速行驶更长时间,但却存在着起动时功率不够,启动加速较慢的问题。在电化学体系中只有超级电容器才能获得非常高的充放电倍率(1000 C),但其能量密度只有锂电池的1/20。若不辅以超级电容,尚无理想的高容量高功率动力电池出现。

(5)原材料筛选问题。现在用于锂电池生产的原材料不可能全部进口,主要还是取自国内。但是国内的原材料要通过国际认证,生产出的锂电池才能被国际认可,所以目前还需要解决在原材料认证环节上所存在的一些问题。

在燃料电池方面,要实现其产业化,必须使其产生的电力成本(当前为49美元/kW)低于或接近化石燃料的价格(30美元/kW)。除电池关键组件的优化和组装等基础层面的难题外,还需要克服如下一些制约燃料电池产业化的技术壁垒。

(1)贵金属成本。燃料电池产业化后,其生产会导致贵金属的资源短缺问题。而当前研发的替代型催化剂和多元催化剂还远远达不到产业化的技术要求。(2)燃料电池堆的稳定性。车用燃料电池系统的运行寿命与国际水平还有很大差距,且燃料电池堆的低温性能还有待提高。(3)燃料电池产业化的基础设施必须建立和完善。在解决成本和性能稳定性问题后,还须建立一个可维持运转的液态氢技术设施网络。当前我国氢燃料补给站仅60座左右,在氢能领域,我国缺少布局规划,资金投入不足,且没有制定清晰的路线图和时间表。(4)进一步加大政府支持力度。国家应继续加大对燃料电池研究机构的扶持和重视,并鼓励和引导有实力的企业进入燃料电池行业,并运用资本和政府投资的带动效应,引起民间和国际资本的跟进,全面进入燃料电池产业。

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