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國內外新能源汽車動力鋰電池發展及供求現狀

鉅大LARGE  |  點擊量:1952次  |  2020年06月08日  

新能源汽車動力鋰電池系統開發涉及材料、化學、機械、熱力學、傳熱學、流體力學、電學、系統與控制多個學科,其關鍵技術包括電池組配技術、熱管理技術、電能管理技術和安全管理技術等。車用動力鋰電池系統技術己成為電動汽車走向普及的瓶頸,要從材料開發、電池設計、生產制造、系統集成、商業模式等多方面進行探索和突破。


1、新能源汽車動力鋰電池的分類


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


1.1蓄電池


蓄電池在純電動汽車中是驅動系統唯一動力源,重要有鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池等。目前,鋰離子電池處于高速發展階段,在諸如日產Leaf、豐田普銳斯plug-in、特斯拉ModelS、通用Volt、福特FocusEV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,價格也不貴,可以說鋰離子電池是蓄電池中目前最被市場看好的動力鋰電池。4類蓄電池的性能比較見圖1。


1.2燃料動力電池


燃料動力電池是燃料與氧化劑通過電極反應將其化學能直接轉化為電能的裝置。燃料動力電池不要充電,具有比能量高、使用壽命長、維護工作量少以及能持續大功率供電等優點。另外,燃料動力電池汽車可達到與燃油汽車相同的續駛里程。


根據電解質的不同,燃料動力電池可分為堿性燃料動力電池、磷酸燃料動力電池、質子交換膜燃料動力電池、溶融碳酸鹽燃料動力電池和固體氧化物燃料動力電池5類。目前,質子交換膜燃料動力電池在燃料動力電池汽車中的應用較多,是未來新能源汽車動力鋰電池領域極具競爭力的電池類型。


2、新能源動力鋰電池產業技術概況


由于不同類型新能源汽車中,車用動力鋰電池的使用方式有較大差別,因此關于其性能要求有較大差別。HEV有汽油發動機作為動力來源,更強調加速性能和爬坡能力,因此更重視電池的比功率(要求高達800一1200W/kg);pHEV和EV完全以電池作為動力,更強調充電后的續駛能力,因而更關注電池的比能量(要求達到100一160Wh/kg)(見表1)。


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


當前,動力鋰電池類別中上升最快的是鋰離子電池。2012年以來,鋰離子電池行業保持高速上升并加快了對傳統電池的替代。業內預計,鋰離子電池的上升速度依然能保持年均近25%且成本會不斷下降。


近幾年來,燃料動力電池技術也己取得了重大進展。豐田、現代研發的燃料動力電池車也己處于上市的前夜。在國內,上汽集團的燃料動力電池車處于領先地位。2010年上海世博會期間該車型被用作貴賓接待用車。2011年,在德國柏林舉辦的第十一屆必比登挑戰賽上,上汽集團在燃料動力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,國內外燃料動力電池的技術現狀見表2。


截止2014年十二月,各大車企的燃料動力電池車尚處于試驗驗證狀態,只有豐田FCV一款燃料動力電池產品宣布量產上市。下文將以市場上發展較快的鋰動力鋰電池為例,對其產業化現狀進行分析。


2.1新能源汽車動力鋰電池主流:鋰離子電池


在現有的新能源汽車動力鋰電池中,鋰離子電池生產成本相對較低,重復充電利用非常方便,相比其他可攜帶能源具有更高的成本優勢。因此,這類電池成為了目前最受歡迎的動力源(見表3)。


2.2鋰離子動力鋰電池產業現狀


目前鋰離子電池的重要生產國是日本、韓國和我國。其中,日本和韓國占全球動力鋰電池市場近70%,重要是因為其專業分工明確,行政壁壘較少,整車廠和系統集成商的系統集成能力遠高于我國純電動汽車生產商。


近年來,我國新能源汽車中使用鋰離子電池比例不斷升高,鋰離子電池市場空間廣闊。按照新能源汽車發展規劃路線,2015年國內純電動汽車銷量達到50萬輛,混合動力占全部汽車銷量的30%;2020年,純電動汽車將突破500萬輛,以混合動力為代表的節能汽車達到全部汽車銷量的75%。


2.3鋰離子動力鋰電池技術發展趨勢


鋰離子動力鋰電池重要由正極材料、負極材料、電解液和電池隔膜4部分組成(見表4)。


當前正在使用和開發的鋰離子電池正極材料重要包括鈷酸鋰、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。根據正極材料分類發展鋰離子動力鋰電池路線重要有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域正極材料的主力,重要用于傳統3C(Computer,Communication和ConsumerE-lectronic)領域等;三元材料和錳酸鋰重要用于電動工具、電動自行車和電動汽車等領域,在日本與韓國其作為動力鋰電池的技術較成熟;磷酸鐵鋰重要在國內的動力鋰電池領域應用,另外還用于基站和數據中心儲能、家庭儲能、風光電儲能等領域。


鋰離子電池產品技術的發展將呈現如下趨勢。

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