能源新贵—汽车动力电池

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一、动力电池背景需求
; n( \( \4 D. Q! V# _近年来，我国汽车行业发展迅速，已成为世界第四大汽车生产国和第一大汽车消费国。汽车业是我国的重点产业，2009年全国汽车销售量突破1000万辆。然而传统汽车向来是碳排放大户，研究表明，一辆轿车年排出有害废气高达自身重量的4倍。在大力发展汽车工业与碳减排目标的“矛盾”中，中国汽车业势必要迎接正面冲击，新的结构调整和产业升级正在到来。交通能源消耗已经成为环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一，作为零排放的纯电动汽车( Electric Vehicles，EV) 和低排放的混合动力汽车( Hybrid Electric Vehicles，HEV)就自然被推到了前台。     
电动汽车的主要动力源是电池，而电池技术一直是制约电动汽车商业化发展的瓶颈。因此大力发展包括电动汽车用高性能电池已成为世界各国政府及企业的发展方向之一。目前商业化的动力电池一般有镍氢电池和锂离子电池两种。由于镍氢电池的一些技术性能已经接近理论极限值，如能量密度、充放电速度等，因此并不被认为是未来的发展方向。相对而言，锂离子电池由于具有高电压、高比能量、循环寿命长、自放电率低等特点而备受关注，而且随着锰酸锂及磷酸铁锂等材料性能不断改进，其电池安全性不断提高，成本不断降低，所以，目前人们普遍认为锂离子电池是更有前景的车用电源。
一般情况下，混合动力汽车用动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大的变化。而纯电动汽车则需要较长的续驶里程，电池则要高能量密度，并能承受深度的频繁充放电。针对这种使用特点，新能源对电池有以下特别要求：
（1）高安全性能：由于新能源汽车主要面对普通消费者，电池安全则是动力电池必备的首要条件。
4 x" N6 M0 k2 I8 i（2）高能量密度：对于纯电动汽车往往有重量和空间的限制，质量比能量是衡量能量型动力电池的关键指标，要求纯电动模式下的续航能力足够长。
5 w, H, O- z+ s& i* {7 U1 |（3）高功率密度：质量比功率和体积比功率是衡量蓄电池快速充放电能力的指标，相对于比能量要求，混合动力汽车对比功率要求更高。它的大小决定电池所能输出的最大功率，标志着汽车的加速性能和最高车速，对电动汽车的动力性能等有直接影响。
  @: `' h3 N: d7 I/ G0 R  q（4）充放电效率：动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。
（5）相对稳定性：动力电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。这就需求电池组保持很好的一致性。
新能源汽车动力电池发展前景良好，但目前市场化程度较低，离真正产业化尚需时日，而且，动力电池企业要真正做大做强，还要经受产业规模化、大比例研发投入和国外巨头挤压的考验。综合分析看出，动力电池大规模商业化尚待时日，原因主要有：
# e+ i% d! K# x5 y  |0 k. `* q6 C（1）生产成本高。目前尚无一种高性价比的电池能够同时满足电动车产业化的性能与成本需要。
# m( q3 n6 R4 k4 b. e; h( Y（2）存在技术瓶颈。目前锂离子电池应用于汽车的难点主要有：快速充电、一致性、电池寿命、电池安全性能、低温性能、过热过载等。
1 G" G; h7 n$ A" x1 Y) f2 I（3）基础设施配套几乎为零。电动汽车商业化的基础设施包括充电站网络、车辆维修服务网络、多种形式的电池营销、服务网络等。投资建设这些基础设施需要花费巨额资金。
: p3 ~+ c5 Q( u* |# W二、中国现有动力电池技术基础及差距
中国通过多年的锂离子电池的技术积累，已经在电池材料方面和电池制造技术方面形成了独有的动力电池技术。
但是，我们也需要看到中国动力电池的研究起步较晚，技术不很成熟，而且使用时一般是多串并组合，研究还不是很深入。主要问题体现在以下几个方面：
" f% L" ]; [# D; b& M（1）多采用磷酸铁锂材料作为动力电池正极材料，磷酸铁锂材料本身的能量密度较其他正极材料低；同时材料电导率低，在室温下仅为10-9S/cm（LiCoO2为约 10-3S/cm，LiMn2O4约为10-4S/cm），如此低的电导率导致LiFePO4作为正极材料使用时，功率密度也会较其它正极材料低。
（2）动力电池的产业化水平低：动力电池生产自动化设备少，电池的一致性很难得到保证。
（3）电池管理系统方面不完善：完善的电池管理系统，不但可以大大延长电池组的使用寿命，降低用户购车成本，还可以提高电池组的安全性。国内大多电池公司不具备独立的BMS设计开发能力，需要积极与国内外企业、研究所开展合作，加强技术进步。
三、国内动力电池发展方向
正负极材料作为锂离子电池的重要部件，是决定电池安全、容量和价格的关键因素，代表了锂离子动力电池的发展方向。就全球锂离子电池布局来说，日本、韩国和中国厂商占据主导地位。从技术上看，日本企业仍居于领先地位，其生产设备自动化程度高，中国和韩国均是从日本引进技术和设备，通过消化和吸收，再不断完善和提高。近年来，中国和韩国的迅速崛起，日本锂离子电池的市场份额才逐渐下跌。
为更好的提高动力电池性能，满足车用电池的需要，动力电池技术需要更多技术进步，主要体现在以下几个方面：
（1）正负极材料研究：
加强正负极基础材料如LiFePO4/MCMB，LiFePO4/硬碳，LiFePO4/ Li4Ti5O12，LiMn2O4/MCMB，NCM/MCMB等不同体系动力电池特点的研究，评估其安全、循环寿命等性能、高低温环境适应性等。
（2）快充技术研究：
& W! B; O. R0 N1 ~8 m6 [: t电池能否快速充电是影响纯电动汽车商业化关键因素之一。目前目前30分钟充满80%的技术水平还远远不能满足日常消费者的要求。需要利用新材料及纳米技术提高电池快速充电能力。
- U1 i4 n: [0 b8 c（3）电池环境适应性研究：
动力电池的使用环境一般很恶劣，动力电池要承受不同温湿度、不同路况的考验。在高温下，锂离子动力电池使用寿命会大打折扣；低温下，电池的功率性能衰减迅速，同时低温快速充电会产生安全隐患。因此必须加强电池环境适应性研究，最大限度地减少环境对电池性能的影响。
7 N& l6 r' Q! c: |- z0 F（4）电池工艺及性能优化：
选取高比容量、高安全性的正、负极活性物质，优化合适配方工艺，优化合适的正负极搭配；优化高比能量、高比功率、高安全、长寿命电极制备工艺；研究和优化高比能量、高比功率、长寿命电池电解液及添加剂；优化电池设计及制作工艺，包括电池装配、电极卷绕或叠片、电池结构设计和优化等；研究提高单体电池一致性的方法；
（5）加强动力电池组合技术研究
锂离子动力电池通常需要采用多只串并联组合使用，因此结构设计直接影响电池组性能。此外多串并电池的连接结构设计对于电池组在经历冲击、振动等测试中的安全性也至关重要，如果连接结构设计的耐冲击、振动强度不够，则电池组在长期复杂的使用条件下极易出现性能的波动和衰减，甚至出现停机等严重事故，因此电池的组合技术研究是动力电池技术的重点。
（6）动力电池系统研究
根据整车的技术特点和需求，对电池系统和电池管理系统进行分析，并着力提高电池管理系统的可靠性和降低其成本，重点建设电池管理系统的设计、试制、试验手段，同时对整机的生产工艺进行完善和标准化，为规模化生产做提供技术支持。
四、结语
新能源汽车已不再是单纯的概念，即将驶入它的发展“快车道”。而动力电池作为其核心部分，亦是“前途无量”。中国在大力发展新能源汽车的同时，应该稳扎稳打发展动力电池技术。让动力电池作为新能源汽车的心脏能够更加有力的跳动，这样新能源汽车才能跑的更快更远。

! I& N. I1 l% I) U9 i) b                                          中海油新能源公司首席科学家、英国皇家化学会会士 肖钢