動力電池價格安全性及使用壽命是關(guān)鍵

1、動力電池價格安全性及使用壽命是關(guān)鍵充電電池在很大程度上左右著電動汽車的環(huán)保性能與車輛成本。車載充電電池不僅需要滿足來自決定車輛續(xù)航距離的能量容量、瞬間大電流的輸入輸出、以及防止異常發(fā)熱及起火等安全性方面的要求，為了使電動車能被普通消費者所接受，還需要滿足成本要求，為此各企業(yè)正在進行著激烈的開發(fā)競爭。今后車載鋰離子充電電池的開發(fā)將圍繞以下三個要素展開：(1)降低單位能量容量的成本;(2)確保安全性;(3)抑制充放電導(dǎo)致的劣化。尤其是第三項抑制充放電導(dǎo)致的劣化，關(guān)系到用戶使用電動車的感受以及包含維護成本在內(nèi)的總成本，因此是不可忽視的重要因素。企業(yè)對正極材料的選擇各不相同電池的性能與成本取決于材料、

2、構(gòu)造及控制，其中最重要的是材料的選擇。各電池廠商必須從多種候選材料中作出最優(yōu)選擇。目前已開始量產(chǎn)或計劃今后12年內(nèi)量產(chǎn)的鋰離子充電電池的正極材料，按照與鋰組合的材料不同，分為三元類、錳類、nca類及磷酸鐵類4種。傳統(tǒng)鋰電池的正極材料一般使用鈷酸鋰(licoo2)。但使用鈷酸鋰的正極在充電時晶體構(gòu)造不夠穩(wěn)定，在車載電池用途方面存在著安全性問題。因此，在開發(fā)車載鋰電池時，技術(shù)人員嘗試并開發(fā)出了可代替鈷酸鋰的新材料。被稱作三元類的材料以鎳和錳取代了鈷酸鋰的部分鈷，通過使用鈷、鎳、錳三種成分，提高了材料的穩(wěn)定性。采用三元類li(ni-mn-co)o2材料的電池廠商包括宣布向鈴木的增程型電動車供應(yīng)鋰電池

3、的三洋電機，以及為本田開發(fā)的phev供應(yīng)電池的gs湯淺與本田的合資公司blue energy japan。nca類材料的nca是鎳、鈷、鋁3個詞的字頭縮寫。nca類材料用鋁代替了三元類材料中的錳。nca類材料li(ni-co-al)o2已被豐田與松下的合資公司primearth ev能源采用，其生產(chǎn)的鋰電池被配備在了普銳斯插電式混合動力車上。nca類鋰電池一般來說具有出色的能量密度，但在安全性方面還存在需要解決的課題。primearth ev能源公司為了提高鋰離子充電電池的安全性，通過在負(fù)極上涂覆陶瓷層等措施提高了耐熱性，從而強化了安全性能。錳類材料使用錳酸鋰(limn2o4)。這類材料已被日

4、本、韓國及美國的電池廠商廣泛采用，目前是車載電池的主流。主要廠商包括為日產(chǎn)leaf(中國名：聆風(fēng))供應(yīng)電池的automotive energy supply，為三菱imiev供應(yīng)電池的lithium energy japan，為通用volt供應(yīng)電池的lg化學(xué)，以及為戴姆勒、寶馬及北京汽車供應(yīng)電池的江森自控-saft(johnson controls-saft)等。錳類材料與三元類及nca類材料相比，理論上能量容量密度要低，但鋰原子、錳原子及氧原子能夠形成牢固的晶體構(gòu)造，因此熱穩(wěn)定性出色，安全性高。另外，錳與鈷及鎳相比，原材料價格便宜，成本優(yōu)勢也較大。原材料價格由高到低依次為鈷、鎳、錳，如果將鈷

5、的價格看做10的話，那么鎳就是5，而錳則不到1。磷酸鐵類(lifepo4)材料是中國廠商使用較多的正極材料。這類材料因磷(p)與氧(o)結(jié)合緊密，即便電池內(nèi)部發(fā)熱，晶體構(gòu)造也不易遭到破壞，因此安全性高。磷酸鐵類材料以前因電傳導(dǎo)性低，存在輸出功率難以提高的問題，但通過在正極材料上包覆微細(xì)化碳改善了特性，大幅推進了實用化進程。此類材料的優(yōu)點除了安全性之外，另一優(yōu)勢在于材料成本。鐵的原材料價格比錳還便宜，估計只有錳的幾分之一左右。但也有技術(shù)人員指出，這類材料的制造工藝成本較高，所以難以發(fā)揮出材料本身的成本優(yōu)勢。由于需要創(chuàng)造防止鐵氧化的制造環(huán)境，而且為正極材料包覆碳工序的品質(zhì)管理也要花費人力與物力，因

6、此包含制造費用在內(nèi)的總成本未必便宜。成本目標(biāo)是降至與消費類產(chǎn)品用鋰電池相當(dāng)?shù)?萬日元/kwh目前，日本廠商的車載鋰電池成本約為1012萬日元/kwh，中國廠商為其一半。按電池成本為10萬日元/kwh來計算電動車的電池成本時，配備16kwh電池的通用volt為160萬日元，配備24kwh電池的日產(chǎn)leaf為240萬日元。僅電池成本就相當(dāng)于一輛車的價格。也就是說，目前ev及rev(改裝ev)與相同級別的汽油車相比，成本會是兩倍。要推動電動汽車的普及，必須降低電池的成本。車載鋰電池的成本目標(biāo)是降至消費類產(chǎn)品用鋰電池的水平。消費類產(chǎn)品用鋰電池的成本約為2萬日元/kwh。如果以2萬日元/kwh計算的話，

7、volt的電池成本為32萬日元，leaf為48萬日元。電池成本可分別降低128萬日元與192萬日元。將下降的電池成本反映到車輛價格中的話，volt的價格可降至200萬日元，leaf可降至185萬日元。如果成本能夠下降到這種水平，電動車就能實現(xiàn)普通消費者也買得起的價格。2萬日元/kwh這一成本也與日本及中國的車載鋰電池發(fā)展藍(lán)圖所提出的目標(biāo)值一致。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(nedo)編制的車載充電電池開發(fā)藍(lán)圖中，成本目標(biāo)為2015年降至3萬日元/kwh，2020年降至2萬日元/kwh。在中國政府公布的電動汽車技術(shù)藍(lán)圖中，2015年中國的電池成本目標(biāo)值為1,500元/kwh(約18,000日

8、元)。電池廠商的態(tài)度也為車載電池成本實現(xiàn)2萬日元/kwh這一目標(biāo)的可能性提供了支持。與日產(chǎn)擁有合資關(guān)系的nec的高管在2010年9月接受路透社的采訪時表示，該公司正在推進鋰離子充電電池的開發(fā)，目標(biāo)是到2017年前后，使其與現(xiàn)在的產(chǎn)品相比價格減半性能翻倍。價格減半性能翻倍便意味著每kwh的價格要降至目前的四分之一。假設(shè)目前的電池成本為10萬日元/kwh，那么2017年的成本就是2.5萬日元/kwh。另外，lg化學(xué)公司的高管在2011年2月舉行的國際會議上表示，該公司將要量產(chǎn)的車載鋰離子充電電池的價格為350400美元/kwh(約28,00032,000日元)。lg化學(xué)所說的350400美元/kw

9、h這一價格被認(rèn)為考慮了該公司將來要降低的成本。降低電池單位容量價格的驅(qū)動力是高容量化以及提高生產(chǎn)效率。高容量化方面，目前消費類產(chǎn)品用鋰電池的能量密度已接近250wh/kg，而車載鋰電池只有約100wh/kg。車載鋰電池在提高能量密度方面尚有余地。降低電池單價的另一驅(qū)動力是提高生產(chǎn)效率，這一點可主要通過以擴大規(guī)模來獲得量產(chǎn)效果、改善工藝以及降低生產(chǎn)設(shè)備的成本等措施來實現(xiàn)。automotive energy supply公司就其今后的車載充電電池量產(chǎn)計劃表示，將從2011年開始量產(chǎn)可供5萬輛ev使用的電池單元，2013年前后將把產(chǎn)量提高至50萬輛ev的用量。不可忽視的電池性能劣化問題車載鋰電池不可

10、忽視的要素是存在電池劣化問題。從購買新車到報廢，汽車最少要使用10年以上。如果在此期間電池明顯劣化，用戶被迫更換電池，就會損害用戶的電動車體驗，用戶的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)也會加重。充電電池利用電化學(xué)反應(yīng)進行充放電，因此因反復(fù)使用而導(dǎo)致劣化是不可避免的。目前，ev用戶必須預(yù)先認(rèn)識到的是：ev使用5年后，電池劣化可能會造成電池容量下降2030%。以配備容量為25kwh的電池、可行駛150km的ev為例，電池容量下降可能會導(dǎo)致行駛距離縮短3050km。也許用戶想要更換掉性能劣化的電池，在這種情況下，即便電池單價為2萬日元/kwh，更換電池的費用也需要50萬日元。假設(shè)每隔5年就要花費50萬日元更換一次電池，那么每

11、年所負(fù)擔(dān)的費用就是10萬日元，用戶需要提前考慮ev維護費。如上所述，電池壽命直接關(guān)系到用戶的ev擁有成本，因此將會成為車載充電電池開發(fā)中的關(guān)鍵要素。今后，要廣泛普及ev及pehv，除了配備成本之外，還要站在降低用戶的車輛擁有成本這一角度，對車載鋰電池進行成本評估。作為抗劣化性能較強的車載鋰電池而備受關(guān)注的是負(fù)極使用鈦酸鋰的電池。鋰電池的負(fù)極一般使用石墨，但使用鈦酸鋰可以提高耐久性。東芝的實驗結(jié)果表明，負(fù)極使用鈦酸鋰的鋰電池與使用石墨的傳統(tǒng)鋰電池相比，壽命可延長至6倍。這樣的話，就不需要在車輛使用壽命期內(nèi)因電池劣化而更換電池，也不會造成用戶的車輛擁有成本上漲。東芝目前正在量產(chǎn)使用鈦酸鋰的車載鋰電池，除了三菱汽車將在該公司的ev上采用這種電池之外