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动力电池产业技术概览:锂电池仍将是主流

2015-01-04 09:20
FlappyBird
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  日本电池厂商东芝的车载锂离子充电电池负极材料采用钦酸锂,具有安全性高、寿命长、低温特性出色的特点。缺点是单元的平均电压只有2.5V左右,比以往的锂离子充电电池低1V以上。因此,配备200}400V高电压电池组的EV需要大量串联电池单元,电池行业认为“难以采用”。但实际上,该单元除了己经用于三菱汽车的i-VIiEV和MINICABMiEV的部分车型上,本田的“飞度EV”也己采用,因为该电池的SOC即使在变动较大的范围内使用也很少发生劣化,低温特性较高、电池的极限值高等特点也适合EV使用。

  在独立的日本厂商中,日立车辆能源除了为通用的HEV"Lacrosse”和“Regal”供货外,还为日产新一代HEV供货。

  美国厂商方面,美国A123Systems(被万向集团收购后更名8456Systems)的锂离子充电电池用于宝马的ActiveHybrid5和ActiveHybrid3、美国菲斯克汽车的PHEV"Karma”以及新款EV"SparkEV”上。A123Systems的锂离子充电电池的特点是,正极材料采用磷酸铁锂(LFP),向宝马供货圆筒型单元,向菲斯克和通用供货层压型单元。

  随着锂电池产品的研发与应用,各公司在电池组设计方面的思想逐渐出现差异。丰田、日产和本田等日本厂商的电池组趋于采用空冷式,并尽量简化构造从而降低成本,而欧美厂商大多倾向于采用水冷式,并以特定的小范围管理单元的充电状态和温度。其中,德国厂商表现出了使单元容量和外形尺寸等标准化,从而实现各车型通用的想法。而丰田等仍然坚持认为,不同车辆的配备空间各不相同,应该从多种单元中选择最合适的产品配备,实现单元的标准化比较难。

  3、我国动力电池发展需克服的问题

  我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。我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(1000C),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。当前我国氢燃料补给站仅60座左右,在氢能领域,我国缺少布局规划,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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