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电动汽车用锂离子电池技术的国内外进展简析

长兴旭能电子有限公司 / 2013-06-03
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一、电动汽车电池技术获得突破性发展

蓄电池及其管理系统是电动汽车的关键技术之一。在以往几年中,大部分企业在电动汽车研制中曾遭遇尴尬,主要是因为采用了铅酸、镍镉、镍氢电池(Ni-MH)等。现在,经过研制与实验比较,采用能量密度更高的锂离子电池取代铅和镍氢电池,运用于汽车领域正成为一项核心技术,它具有重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛,是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用蓄电池。缺点是价格较贵、安全性较差。不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料,大大提高了锂离子电池的安全性,而且降低了成本。

表:EV蓄电池关键技术数据与美国先进蓄电池协作体公布指标比较

  比能量a (W/h/kg) 比功率密度a (Wh/l) 比功率b ((W/kg) 循环寿命b 参考价格d (US$/k Wh)
阀控铅酸 30-45 60-90 200-300 400-600 150
镍-镉 40-60 80-110 150-350 600-1200 300
镍锌 60-65 120-130 150-300 600-1200 200-350
锌/空气 230 269 105 NA c 90-120
铝/空气 190-250 190-200 7-16 NA c NA
钠/硫 100 150 200 800 250-450
钠/氯化镍 110 149 150 1000 1-230-350
锂聚合物 155 220 315 600 NA
锂离子 90-130 140-200 250-450 800-1200 >200
USABC 200 300 400 1000 <100

注:NA-数据不详、a-C/3放电率、b-80%DOD、c-机械重充电、d-仅供参考、USABC-美国先进蓄电池协作体。

资料来源:陈清泉、孙立清,电动汽车的现状和发展趋势,科技导报,2005年4月,第23卷第4期

二、锂离子电池产业化动态

随着成本的急剧降低和性能的大幅度提高,已有许多汽车生产厂家开始投入使用锂离子电池。下表是主要锂离子电池厂商研发与生产概要。截至2006年10月为止,全球主要国家已有20余家车厂进行锂离子电池研发。如富士重工与NEC合作开发廉价的单体(Cell)锰系锂离子电池(即锰酸锂电池),具有高安全性、低制造成本特点,在车载环境下的寿命高达12年、10万公里,与纯电动汽车的整车寿命相当。东芝开发的可急速充电锂离子蓄电池组,除了小型、大容量的特点之外,采用了能使纳米级微粒均一化固定技术,可使锂离子均匀地吸附在蓄电池负极上,能在一分钟之内充电至其容量的80%,再经6分钟便可充满电。美国的主要电池厂Johnson Controls针对电动车需求特性的锂离子电池于2005年9月在威斯康星州Milwaukee设立研发地点,2006年1月另出资50%与法国电池厂Saft共同成立Johnson Controls-Saft Advanced Power Solution (JCS)。JCS 于2006年8月承接了美国能源部(DOE)所主导2年USABC(United States Advanced Battery Consortium)纯电动车锂离子电池研发计划合约,另外亦与车厂签约提供高功率锂离子电池。

表:主要锂离子电池厂商研发与生产概要

电池厂商 产品概要
Degussa AG/Enax 2005年6月,德国Degussa与日本Enax分别各出资50%在中国成立Degussa Enax(Anqiu)Power Lion Technology 公司,生产锂离子电池电极与销售,该厂同时生产电动车用锂离子电池电极,并供应至中国与欧美日等国。
Johnson Controls-Saft Advanced Power Solution (JCS) JCS是Johnson Controls 与Saft 于2006年1月合并的公司,Saft 于1995年开始研发电动车锂离子电池,Johnson Controls 于威斯康星州的Milwaukee设厂生产专为电动车设计的锂离子电池,2005年开始提供美国车厂锂离子电池试作品。
NEC Lamilion Energy 2006年3月提供适合电动车用锰系锂离子电池,车载电池寿命为2,700W/kg(25℃、10秒、SVOC50%),具高输出特性,达成10年15万公里等效距离运行测试,已有20余家车厂拥有研发实绩。
Sanyo电机 2006年3月,日本德岛工厂提供1,000组用锂离子电池予车厂电动车试用,预定2007年量产。
Panasonic EV Energy 2005年10月Toyota对Panasonic EV Energy出资从40%提高至60%,已将其纳入子公司,预定于2008年在Prius装上可具备外部充电功能的锂离子电池,目前正进行实用化性能评估与量产验证。
GS Yuasa? 2004年3月,开始销售电动车与不断电系统锂离子电池E-on EX25A(cell)与EX25A-7(模块)。
Hitachi Vehicle Energy, Ltd.) 日立Vehicle Energy公司系于2004年6月,由新神户电机43.7%、日立36.7%、日立macell 19.6%组成,专门生产电动车用锰系锂离子电池。2005年6月研发小型、低成本之锂离子电池控制模块试作品(48cell),锂离子电池配合新开发的控制装置较传统成本降低12.5%,精简空间10%。
Litcel(日本) 2006年开发电动车驱动用Li-ion B4-40锂离子电池组(pack),装置于三菱Colt-EV车上进行实证测试,充电一次续航距离为150km,2010年时目标为240km。

资料来源:FOURIN(2006/11);台湾工研院IEK(2007/1)

我国在锂离子电池方面的研究水平,有多项指标超过了USABC提出的2010年长期指标所规定的目标,已能自主开发出用量在50~80公斤以下,可适用于电动自行车、电动摩托车、电油混合动力车、油电混合动力电动车,行驶距离在80公里以内的小型、轻型供上下班使用的家用电动小轿车的锂离子蓄电池,并有足够好的安全行驶性能。从1997年开始产业化经验的苏州星恒作为国家锂离子动力电池产业化示范工程项目基地,其研发的动力电池组已通过美国UL和欧盟独立组织Extra Energy的测试认证,并在苏州建成第一条动力锂离子电池的生产线并顺利试产,目前已实现量产。

三、蓄电池技术还需继续进一步发展

目前,锂离子电池应用于电动车的课题,有电池寿命机理(高功率电池老化特征、老化电池诊断、老化电池电化学模型、电池寿命预测方法开发)、电池的低温性能表现(低温性能特点、低温电解质模型、低温性能模拟)、容许偏差、过热偏差、过负载偏差、检查诊断与降低电池成本(材料筛选与开发、低成本制造)等。而长期探索研究主要集中在系统与材料两方面。

一方面,各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据,如加速性能、充电时间、持续里程数等,还须在复杂的外部环境实际运行下,进一步验证其可靠性,以及生产批量化质量控制。另一方面,在我国锂离子电池生产中,锂离子电池所需隔膜材料未能有实质性的突破,全部依靠进口,价格昂贵,占到动力电池成本的30%以上。如果在这一材料上实现规模化生产技术,即可大幅度降低成本。

此外,有专家认为,从20世纪90年代初各国研究成功的电动汽车来看,虽然蓄电池的比能量比现在的新型电池要小,但是各种电动汽车测试达到的各项性能指标,对一般的使用者来说,也是可以满足的。当时实现不了电动汽车产业化的主要原因,在于蓄电池的使用寿命太短。纯电动汽车所使用的蓄电池组成本一般要占新车造价的二分之一,如果需要购车人在几年之内即更换蓄电池组,就意味着高额的使用成本。现在,第二代纯电动汽车蓄电池比能量已经有了很大的提高,生产蓄电池的材料与蓄电池的结构也取得了很大的进步,但是其使用寿命并未获得重大的突破。即使加速性能完全能达到或超过今天燃油车的最高水平,蓄电池充一次电的行驶里程能超过燃油车目前加一箱油的行驶里程,由于蓄电池寿命限制而造成的高额使用成本也将成为其商业化的一大瓶颈。

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