新能源汽车动力电池发展及产业现状

浏览数量: 72 作者: 本站编辑 发布时间: 2021-06-17 来源: 本站

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FocusEV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)

 

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。

 

 

 

 

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(如下表)。

                                                  

 

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,中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。

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

 

3、中国动力电池发展需克服的问题

中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。中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。当前中国氢燃料补给站仅60座左右,在氢能领域,中国缺少布局规划,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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