新能源汽車動力電池系統(tǒng)開發(fā)涉及材料、化學、機械、熱力學、傳熱學、流體力學、電學、系統(tǒng)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。車用動力電池系統(tǒng)技術己成為電動汽車走向普及的瓶頸，需要從材料開發(fā)、電池設計、生產制造、系統(tǒng)集成、商業(yè)模式等多方面進行探索和突破。
1、新能源汽車動力電池的分類
新能源汽車動力電池可以分為蓄電池和燃料電池兩大類，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）；燃料電池專用于燃料電池汽車（FaV）。
1.1蓄電池
蓄電池在純電動汽車中是驅動系統(tǒng)唯一動力源，主要有鎳鍋、鎳氫和鋰離子電池等。目前，鋰離子電池處于高速發(fā)展階段，在諸如日產Leaf、豐田普銳斯plug-in、特斯拉Model S、通用Volt、福特Focus EV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電池。4類蓄電池的性能比較見圖1。
1.2燃料電池
燃料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。燃料電池不需要充電，具有比能量高、使用壽命長、維護工作量少以及能連續(xù)大功率供電等優(yōu)點。另外，燃料電池汽車可達到與燃油汽車相同的續(xù)駛里程。
根據(jù)電解質的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池5類。目前，質子交換膜燃料電池在燃料電池汽車中的應用較多，是未來新能源汽車動力電池領域極具競爭力的電池類型。
2、新能源動力電池產業(yè)技術概況
由于不同類型新能源汽車中，車用動力電池的使用方式有較大區(qū)別，因此對于其性能要求有較大區(qū)別。HEV有汽油發(fā)動機作為動力來源，更強調加速性能和爬坡能力，因此更注重電池的比功率（要求高達800一1 200 W / kg）；PHEV和EV完全以電池作為動力，更強調充電后的續(xù)駛能力，因而更關注電池的比能量（要求達到100一160 Wh/kg）（見表1）。
由于各自性能、材料、成本等存在顯著差異，因此不同類型動力電池的使用前景不同。目前技術最成熟的是鎳氫動力電池，但商業(yè)化最成功的是鋰離子電池，燃料電池則被廣泛視作遠期目標。
當前，動力電池類別中增長最快的是鋰電池。2012年以來，鋰電池行業(yè)保持高速增長并加快了對傳統(tǒng)電池的替代。業(yè)內預計，鋰電池的增長速度依然能保持年均近25%且成本會不斷下降。
近幾年來，燃料電池技術也己取得了重大進展。豐田、現(xiàn)代研發(fā)的燃料電池車也己處于上市的前夜。在國內，上汽集團的燃料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，在德國柏林舉行的第十一屆必比登挑戰(zhàn)賽上，上汽集團在燃料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，國內外燃料電池的技術現(xiàn)狀見表2。
國內外新能源汽車動力電池發(fā)展及供求現(xiàn)狀
截止2014年8月，各大車企的燃料電池車尚處于試驗驗證狀態(tài)，還未有一款燃料電池車真正量產上市。下文將以市場上發(fā)展較快的鋰動力電池為例，對其產業(yè)化現(xiàn)狀進行分析。
2.1新能源汽車動力電池主流:鋰離子電池
在現(xiàn)有的新能源汽車動力電池中，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(yōu)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鋰離子動力電池產業(yè)現(xiàn)狀
目前鋰離子電池的主要生產國是日本、韓國和中國。其中，日本和韓國占全球動力電池市場近70 %，主要是因為其專業(yè)分工明確，行政壁壘較少，整車廠和系統(tǒng)集成商的系統(tǒng)集成能力遠高于中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，鋰電池市場空間廣闊。按照新能源汽車發(fā)展規(guī)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(jié)能汽車達到全部汽車銷量的75 %。
2.3鋰離子動力電池技術發(fā)展趨勢
鋰離子動力電池主要由正極材料、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(fā)的鋰電池正極材料主要包括鉆酸鋰、鎳鉆酸鋰、鎳錳鉆三元材料，尖晶石型的錳酸鋰，橄欖石型的磷酸鐵鋰等。根據(jù)正極材料分類發(fā)展鋰離子動力電池路線主要有3條:改性錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。目前鉆酸鋰依然是小型鋰電領域正極材料的主力，主要用于傳統(tǒng)3C （Computer， Communication和Consumer E-lectronic）領域等；三元材料和錳酸鋰主要用于電動工具、電動自行車和電動汽車等領域，在日本與韓國其作為動力電池的技術較成熟；磷酸鐵鋰主要在國內的動力電池領域應用，另外還用于基站和數(shù)據(jù)中心儲能、家庭儲能、風光電儲能等領域。
鋰電池產品技術的發(fā)展將呈現(xiàn)如下趨勢。
?。?）鉆酸鋰將逐漸被三元材料替代。三元材料綜合了鉆酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優(yōu)點，具有價格優(yōu)勢。雖然特斯拉旗下首款車型Roadster推出時使用的是18650鉆酸鋰電池，但其第二款量產車型Model S使用的是松下定制的三元材料電池，即鎳鉆鋁三元正極材料電池。鉆酸鋰電池成本高的特征在特斯拉前后兩款車型的對比中表現(xiàn)得十分明顯。Model S使用的電池數(shù)量達到8 000節(jié)以上，比Roadster高出1 000多節(jié)，但是成本卻下降了30%。目前，高性能動力鋰電池用NCM三元材料己在國外大量使用，但中國企業(yè)尚無量產產品出現(xiàn)。
?。?）錳酸鋰占比將上升。相對于鉆酸鋰正極材料，錳酸鋰具有原料豐富、價格低廉及無毒性等優(yōu)點。層狀錳酸鋰LiMnO:用作鋰離子電池正極材料的缺點是雖然容量很高，但在高溫下不穩(wěn)定，而且在充放電過程中易向尖晶石結構轉變，導致容量衰減過快。錳酸鋰材料的應用集中在消費類電池市場，動力電池以電動自行車電池為主。
?。?）磷酸鐵鋰仍存較大技術提高空間。磷酸鐵鋰正極材料的低溫性能和倍率放電己經可以達到鉆酸鋰的水平，目前同樣是有希望的動力電池材料。但是受制于技術瓶頸，磷酸鐵鋰電池一致性和單位能量密度較低。在國內，己有較為成熟的磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)，但目前中國磷酸鐵鋰材料產業(yè)化的發(fā)展仍低于發(fā)達國家的水平。
在動力電池正極材料產業(yè)領域，中、日、韓、美動力電池企業(yè)采用不同的材料體系；中國企業(yè)以磷酸鐵鋰為主，日韓企業(yè)以錳酸鋰和三元材料為主。預測到20巧年三元材料在正極材料中的占比將上升至35 %錳酸鋰占比將上升至30%，而鉆酸鋰將下降至25% 。
2.4國外新能源汽車車載鋰電池廠商及其產品供求現(xiàn)狀2012年起，各大車企都陸續(xù)上市了PHEV和HEV。PHEV方面，繼豐田2012年1月開始銷售“普銳斯PHEV”之后，2012年秋季至2013年初，本田推出新款雅閣的PHEV款、福特推出C-VIAX Energin和Fusion Energi、沃爾沃上市V60 PHEV等。HEV方面，德國廠商開始逐漸全面推出產品。2012年，寶馬上市ActiveHybrid 5和ActiveHybrid 3戴姆勒上市E400 Hybrid和E300 B1ueTEC Hybrid大眾上市“捷達混合動力車”。
與此同時，車載鋰離子充電電池市場也開始形成，引領市場發(fā)展的正是EV用鋰電池。這是因為以日產的聆風為首，三菱汽車的i-MiEV、豐田iQ、特斯拉的Model S和寶馬i3等配備鋰電池的EV相繼上市的結果。
隨著電動汽車全面投放市場，各家汽車廠商所使用的電池廠商陣容也變得豐富與明朗起來（圖2）。在車載鋰離子充電電池領域，除了獨立廠商韓國LG化學、三星和日立外，還有AESC，Lithium Energy Japan，Primearth EV Energy（PEVE）和Blue Energy等與汽車廠商合資成立的車載電池公司，并己向多家汽車廠商供貨。如，松下2012年起為福特的Fusion Hybrid和Fusion Energi分別供貨5 Ah單元和20. 5 Ah單元鋰離子充電電池；此外，松下還為特斯拉汽車的EV "Model S”和"Model X”供貨鎳鉆鋁酸鋰18650單體鋰電池。
日本電池廠商東芝的車載鋰離子充電電池負極材料采用欽酸鋰，具有安全性高、壽命長、低溫特性出色的特點。缺點是單元的平均電壓只有2. 5 V左右，比以往的鋰離子充電電池低1 V以上。因此，配備200 } 400 V高電壓電池組的EV需要大量串聯(lián)電池單元，電池行業(yè)認為“難以采用”。但實際上，該單元除了己經用于三菱汽車的i-VIiEV和MINICAB MiEV的部分車型上，本田的“飛度EV”也己采用，因為該電池的SOC即使在變動較大的范圍內使用也很少發(fā)生劣化，低溫特性較高、電池的極限值高等特點也適合EV使用。
在獨立的日本廠商中，日立車輛能源除了為通用的HEV "Lacrosse”和“Regal”供貨外，還為日產新一代HEV供貨。
美國廠商方面，美國A123Systems（被萬向集團收購后更名8456 Systems）的鋰離子充電電池用于寶馬的ActiveHybrid 5和ActiveHybrid 3、美國菲斯克汽車的PHEV "Karma”以及新款EV "Spark EV”上。A123 Systems的鋰離子充電電池的特點是，正極材料采用磷酸鐵鋰（ LFP），向寶馬供貨圓筒型單元，向菲斯克和通用供貨層壓型單元。
隨著鋰電池產品的研發(fā)與應用，各公司在電池組設計方面的思想逐漸出現(xiàn)差異。豐田、日產和本田等日本廠商的電池組趨于采用空冷式，并盡量簡化構造從而降低成本，而歐美廠商大多傾向于采用水冷式，并以特定的小范圍管理單元的充電狀態(tài)和溫度。其中，德國廠商表現(xiàn)出了使單元容量和外形尺寸等標準化，從而實現(xiàn)各車型通用的想法。而豐田等仍然堅持認為，不同車輛的配備空間各不相同，應該從多種單元中選擇最合適的產品配備，實現(xiàn)單元的標準化比較難。
3、我國動力電池發(fā)展需克服的問題
我國目前車用動力電池技術路線選擇的是與美國相同的磷酸鐵鋰路線，但鋰電池技術整體水平仍落后于美國、日本。例如日本電池平均能量密度要高出中國平均水平的30% } 40%，充電次數(shù)也能達到中國的幾倍。我國鋰離子電池產業(yè)發(fā)展尚需克服以下問題。
?。?）知識產權問題。磷酸鐵鋰的正極材料專利由美國德州大學Goodenough團隊在1996年獲得。加拿大H-Q和Phostech則取得其獨家專利和商業(yè)授權。目前陸續(xù)發(fā)展出了敷碳、金屬氧化物包覆、納米化等改性和制備技術，藉此提高磷酸鋰鐵粉體的導電性，并派生出更多專利。因此，專利問題是國內磷酸鐵鋰制造企業(yè)難以避開的問題。
?。?）制造一致性問題。電動汽車所用的鋰電池都是串聯(lián)或并聯(lián)在一起，如果一致性問題得不到有效解決，所生產的鋰電池也就無法大規(guī)模應用于電動汽車。
?。?）成組后安全性和壽命問題。大功率充放電的大容量鋰離子動力電池組，在苛刻的使用條件下更易誘發(fā)電池某個部分發(fā)生偏差，從而引發(fā)安全問題。單體磷酸鐵鋰電池壽命可超過2000次，但由上百塊單體電池串并聯(lián)后，整個電池組的壽命可能只有500次，必須使用電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池組進行合理有效的管理和控制。
?。?）高能量和高功率兼容問題。鋰離子動力電池雖然具有高能量密度，可使電動汽車勻速行駛更長時間，但卻存在著起動時功率不夠，啟動加速較慢的問題。在電化學體系中只有超級電容器才能獲得非常高的充放電倍率（1000 C），但其能量密度只有鋰電池的1 /20。若不輔以超級電容，尚無理想的高容量高功率動力電池出現(xiàn)。
（5）原材料篩選問題?，F(xiàn)在用于鋰電池生產的原材料不可能全部進口，主要還是取自國內。但是國內的原材料要通過國際認證，生產出的鋰電池才能被國際認可，所以目前還需要解決在原材料認證環(huán)節(jié)上所存在的一些問題。
在燃料電池方面，要實現(xiàn)其產業(yè)化，必須使其產生的電力成本（當前為49美元//kW）低于或接近化石燃料的價格（30美元//kW）。除電池關鍵組件的優(yōu)化和組裝等基礎層面的難題外，還需要克服如下一些制約燃料電池產業(yè)化的技術壁壘。
?。?）貴金屬成本。燃料電池產業(yè)化后，其生產會導致貴金屬的資源短缺問題。而當前研發(fā)的替代型催化劑和多元催化劑還遠遠達不到產業(yè)化的技術要求。（2）燃料電池堆的穩(wěn)定性。車用燃料電池系統(tǒng)的運行壽命與國際水平還有很大差距，且燃料電池堆的低溫性能還有待提高。（3）燃料電池產業(yè)化的基礎設施必須建立和完善。在解決成本和性能穩(wěn)定性問題后，還須建立一個可維持運轉的液態(tài)氫技術設施網絡。當前我國氫燃料補給站僅60座左右，在氫能領域，我國缺少布局規(guī)劃，資金投入不足，且沒有制定清晰的路線圖和時間表。（4）進一步加大政府支持力度。國家應繼續(xù)加大對燃料電池研究機構的扶持和重視，并鼓勵和引導有實力的企業(yè)進入燃料電池行業(yè)，并運用資本和政府投資的帶動效應，引起民間和國際資本的跟進，全面進入燃料電池產業(yè)。
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