國內(nèi)外新能源汽車動(dòng)力電池發(fā)展及供求現(xiàn)狀

新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)開發(fā)涉及材料、化學(xué)、機(jī)械、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、系統(tǒng)與控制多個(gè)學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)包括電池組配技術(shù)、熱管理技術(shù)、電能管理技術(shù)和安全管理技術(shù)等。車用動(dòng)力電池系統(tǒng)技術(shù)己成為電動(dòng)汽車走向普及的瓶頸，需要從材料開發(fā)、電池設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、系統(tǒng)集成、商業(yè)模式等多方面進(jìn)行探索和突破。

1、新能源汽車動(dòng)力電池的分類

新能源汽車動(dòng)力電池可以分為蓄電池和燃料電池兩大類，蓄電池用于純電動(dòng)汽車(EV)，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)及插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(PHEV);燃料電池專用于燃料電池汽車(FCV)。

1.1蓄電池

蓄電池在純電動(dòng)汽車中是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)唯一動(dòng)力源，主要有鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池等。目前，鋰離子電池處于高速發(fā)展階段，在諸如日產(chǎn)Leaf、豐田普銳斯 plug-in、特斯拉Model S、通用Volt、福特Focus EV以及寶馬i3等新能源汽車上都采用鋰離子電池。此外，鋰資源較為豐富，價(jià)格也不貴，可以說鋰離子電池是蓄電池中目前最被市場(chǎng)看好的動(dòng)力電池。4類蓄電池的性能比較見圖1。

1.2燃料電池

燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池不需要充電，具有比能量高、使用壽命長、維護(hù)工作量少以及能連續(xù)大功率供電等優(yōu)點(diǎn)。另外，燃料電池汽車可達(dá)到與燃油汽車相同的續(xù)駛里程。

根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池5類。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池在燃料電池汽車中的應(yīng)用較多，是未來新能源汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域極具競爭力的電池類型。

2、新能源動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)概況

由于不同類型新能源汽車中，車用動(dòng)力電池的使用方式有較大區(qū)別，因此對(duì)于其性能要求有較大區(qū)別。HEV有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源，更強(qiáng)調(diào)加速性能和爬坡能力，因此更注重電池的比功率(要求高達(dá)800一1200 W/kg);PHEV和EV完全以電池作為動(dòng)力，更強(qiáng)調(diào)充電后的續(xù)駛能力，因而更關(guān)注電池的比能量(要求達(dá)到100一160Wh/kg)(見表1)。

由于各自性能、材料、成本等存在顯著差異，因此不同類型動(dòng)力電池的使用前景不同。目前技術(shù)最成熟的是鎳氫動(dòng)力電池，但商業(yè)化最成功的是鋰離子電池，燃料電池則被廣泛視作遠(yuǎn)期目標(biāo)。

當(dāng)前，動(dòng)力電池類別中增長最快的是鋰電池。2012年以來，鋰電池行業(yè)保持高速增長并加快了對(duì)傳統(tǒng)電池的替代。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，鋰電池的增長速度依然能保持年均近25%且成本會(huì)不斷下降。

近幾年來，燃料電池技術(shù)也己取得了重大進(jìn)展。豐田、現(xiàn)代研發(fā)的燃料電池車也己處于上市的前夜。在國內(nèi)，上汽集團(tuán)的燃料電池車處于領(lǐng)先地位。2010年上海世博會(huì)期間該車型被用作貴賓接待用車。2011年，在德國柏林舉行的第十一屆必比登挑戰(zhàn)賽上，上汽集團(tuán)在燃料電池汽車組拉力賽中位列總分第三，僅次于豐田和奧迪。

目前，國內(nèi)外燃料電池的技術(shù)現(xiàn)狀見表2。

截止2014年12月，各大車企的燃料電池車尚處于試驗(yàn)驗(yàn)證狀態(tài)，只有豐田FCV一款燃料電池產(chǎn)品宣布量產(chǎn)上市。下文將以市場(chǎng)上發(fā)展較快的鋰動(dòng)力電池為例，對(duì)其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

2.1新能源汽車動(dòng)力電池主流:鋰離子電池

在現(xiàn)有的新能源汽車動(dòng)力電池中，鋰離子電池生產(chǎn)成本相對(duì)較低，重復(fù)充電利用非常方便，相比其他可攜帶能源具有更高的成本優(yōu)勢(shì)。因此，這類電池成為了目前最受歡迎的動(dòng)力源(見表3)。

2.2鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

目前鋰離子電池的主要生產(chǎn)國是日本、韓國和中國。其中，日本和韓國占全球動(dòng)力電池市場(chǎng)近70%，主要是因?yàn)槠鋵I(yè)分工明確，行政壁壘較少，整車廠和系統(tǒng)集成商的系統(tǒng)集成能力遠(yuǎn)高于中國純電動(dòng)汽車生產(chǎn)商。

近年來，我國新能源汽車中使用鋰離子電池比例不斷升高，鋰電池市場(chǎng)空間廣闊。按照新能源汽車發(fā)展規(guī)劃路線，2015年國內(nèi)純電動(dòng)汽車銷量達(dá)到50萬輛，混合動(dòng)力占全部汽車銷量的30% ;2020年，純電動(dòng)汽車將突破500萬輛，以混合動(dòng)力為代表的節(jié)能汽車達(dá)到全部汽車銷量的75 %。

2.3鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

鋰離子動(dòng)力電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液和電池隔膜4部分組成(見表4)。

當(dāng)前正在使用和開發(fā)的鋰電池正極材料主要包括鈷酸鋰、鎳鈷酸鋰、鎳錳鈷三元材料，尖晶石型的錳酸鋰，橄欖石型的磷酸鐵鋰等。根據(jù)正極材料分類發(fā)展鋰離子動(dòng)力電池路線主要有3條:改性錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。目前鈷酸鋰依然是小型鋰電領(lǐng)域正極材料的主力，主要用于傳統(tǒng)3C (Computer， Communication和Consumer E-lectronic)領(lǐng)域等;三元材料和錳酸鋰主要用于電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域，在日本與韓國其作為動(dòng)力電池的技術(shù)較成熟;磷酸鐵鋰主要在國內(nèi)的動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用，另外還用于基站和數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能、家庭儲(chǔ)能、風(fēng)光電儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

鋰電池產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)如下趨勢(shì)。