動力鋰電池的開發(fā)競爭

1、車載鋰電池的開發(fā)競爭(單位容量價(jià)格、安全性及抑制性能劣化是關(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(fèi)者所接受, 還需要滿足成本要求, 為 此各企業(yè)正在進(jìn)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(xiàng)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(hù)成本在內(nèi)的 總成本,因此是不可忽視的重要因素。

2、企業(yè)對正極材料的選擇各不相同圖 1:車載鋰電池的正極材料與采用廠商 電池的性能與成本取決于材料、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(jì)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(圖 1。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(shí)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(shí),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

3、鈷、 鎳、 錳三種成分, 提高了材料的穩(wěn)定性(注 1。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)鋰電池的三洋電機(jī),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

4、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(qiáng)化了安全性能。錳類材料使用錳酸鋰(LiMn2O4。這類材料已被日本、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

5、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(jià)格便宜, 成本優(yōu)勢也較大。 原材料價(jià)格由高到低依次為鈷、 鎳、錳,如果將鈷的價(jià)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(jìn)了實(shí)用化進(jìn)程。 此類材

6、料的優(yōu)點(diǎn)除了安全性之外, 另一優(yōu)勢在 于材料成本。 鐵的原材料價(jià)格比錳還便宜, 估計(jì)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(fèi)人力與物力,因此包含制造費(fèi)用在內(nèi)的總成本未必便宜。成本目標(biāo)是降至與消費(fèi)類產(chǎn)品用鋰電池相當(dāng)?shù)?2萬日元 /kWh 圖 2:通用 Volt 與日產(chǎn)LEAF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(jì)算電動車的電池成本時(shí),配備 16kwh 電池的通用 V

7、olt 為 160萬日元,配備 24kwh 電池的日產(chǎn) LEAF 為 240萬日元(圖 2。僅電池成本就相當(dāng)于 一輛車的價(jià)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(注 2。 車載鋰電池的成本目標(biāo)是降至消費(fèi)類產(chǎn)品用鋰電池的水平。消費(fèi)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(jì)算的話, 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(jià)格中的話, Volt 的價(jià)格可降至 200萬日元

8、, 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(shí)現(xiàn)普通消費(fèi)者也買得起的價(jià)格。圖 3:車載鋰電池開發(fā)藍(lán)圖 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(jī)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日元 (注 3 (圖 3。 電池廠商的態(tài)度也為車載電池成本實(shí)現(xiàn) 2萬日元 /kWh這一目標(biāo)的可能性提供了支持

9、。 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(shí)表示, 該公司正在 推進(jìn)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(jià)格減半性 能翻倍(注 4。價(jià)格減半性能翻倍便意味著每 kWh 的價(jià)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(jià)格為 350400美元 /kWh(約 28,00032,000日元 (注 5。 LG 化學(xué)所說 的 350400美元 /kWh這

10、一價(jià)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(jià)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(fèi)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(jià)的另一驅(qū)動力是提高生產(chǎn)效率, 這一 點(diǎn)可主要通過以擴(kuò)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(shí) 現(xiàn)。 Automotive Energy Supply公司就其今后的車載充電電池量產(chǎn)計(jì)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。

11、不可忽視的電池性能劣化問題 車載鋰電池不可忽視的要素是存在電池劣化問題。從購買新車到報(bào)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(yàn),用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)也會加重。 充電電池利用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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 20 30%(注 6。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(jià)為

12、2萬日元 /kWh,更換電池的費(fèi)用也需要 50萬日元。假設(shè)每隔 5年就要花 費(fèi) 50萬日元更換一次電池,那么每年所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用就是 10萬日元,用戶需要提前考慮 EV 維護(hù)費(fèi)。 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(jìn)行成本評估。 作為抗劣化性能較強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(注 7。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,本田也在考