新能源汽車動力電池系統(tǒng)開發(fā)涉及材料、化學(xué)、機(jī)械、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、系統(tǒng)與控制多個學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)包括電池組配技術(shù)、熱管理技術(shù)、電能管理技術(shù)和安全管理技術(shù)等。車用動力電池系統(tǒng)技術(shù)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(shè)計、生產(chǎn)制造、系統(tǒng)集成、商業(yè)模式等多方面進(jìn)行探索和突破。

 

 

 

 

 

一、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（FCV）。

 

 

 

1、蓄電池

 

 

 

蓄電池在純電動汽車中是驅(qū)動系統(tǒng)唯一動力源，主要有鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池等。目前，鋰離子電池處于高速發(fā)展階段，在諸如日產(chǎn)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。

 

 

 

2、燃料電池

 

 

 

燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)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(hù)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(dá)到與燃油汽車相同的續(xù)駛里程。

 

 

 

根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池在燃料電池汽車中的應(yīng)用較多，是未來新能源汽車動力電池領(lǐng)域極具競爭力的電池類型。

 

二、新能源動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(jī)作為動力來源，更強調(diào)加速性能和爬坡能力，因此更注重電池的比功率（要求高達(dá)800一1200 W/kg）；PHEV和EV完全以電池作為動力，更強調(diào)充電后的續(xù)駛能力，因而更關(guān)注電池的比能量（要求達(dá)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，因此不同類型動力電池的使用前景不同。目前技術(shù)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(yuǎn)期目標(biāo)。

 

 

 

當(dāng)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(nèi)預(yù)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(shù)也己取得了重大進(jìn)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(nèi)，上汽集團(tuán)的燃料電池車處于領(lǐng)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(tuán)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(nèi)外燃料電池的技術(shù)現(xiàn)狀見表2。

 

 

 

截止2014年12月，各大車企的燃料電池車尚處于試驗驗證狀態(tài)，只有豐田FCV一款燃料電池產(chǎn)品宣布量產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

 

 

 

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(chǎn)成本相對較低，重復(fù)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、鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

 

 

 

目前鋰離子電池的主要生產(chǎn)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(yuǎn)高于中國純電動汽車生產(chǎn)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(nèi)純電動汽車銷量達(dá)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(dá)到全部汽車銷量的75 %。

 

 

 

3、鋰離子動力電池技術(shù)發(fā)展趨勢

 

 

 

鋰離子動力電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液和電池隔膜4部分組成（見表4）。

 

 

 

 

當(dāng)前正在使用和開發(fā)的鋰電池正極材料主要包括鈷酸鋰、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(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。目前鈷酸鋰依然是小型鋰電領(lǐng)域正極材料的主力，主要用于傳統(tǒng)3C （Computer， Communication和Consumer E-lectronic）領(lǐng)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(lǐng)域，在日本與韓國其作為動力電池的技術(shù)較成熟；磷酸鐵鋰主要在國內(nèi)的動力電池領(lǐng)域應(yīng)用，另外還用于基站和數(shù)據(jù)中心儲能、家庭儲能、風(fēng)光電儲能等領(lǐng)域。

 

 

 

鋰電池產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)如下趨勢。

 

 

 

（1）鈷酸鋰將逐漸被三元材料替代。三元材料綜合了鈷酸鋰、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鈷酸鋰電池，但其第二款量產(chǎn)車型Model S使用的是松下定制的三元材料電池，即鎳鈷鋁三元正極材料電池。鈷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(dá)到8000節(jié)以上，比Roadster高出1000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(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)。

 

 

 

（2）錳酸鋰占比將上升。相對于鈷酸鋰正極材料，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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致容量衰減過快。錳酸鋰材料的應(yīng)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。

 

 

 

（3）磷酸鐵鋰仍存較大技術(shù)提高空間。磷酸鐵鋰正極材料的低溫性能和倍率放電己經(jīng)可以達(dá)到鈷酸鋰的水平，目前同樣是有希望的動力電池材料。但是受制于技術(shù)瓶頸，磷酸鐵鋰電池一致性和單位能量密度較低。在國內(nèi)，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(chǎn)業(yè)化的發(fā)展仍低于發(fā)達(dá)國家的水平。

 

 

 

在動力電池正極材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)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(yù)測到2015三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%，而鈷酸鋰將下降至25% 。

 

 

 

4、國外新能源汽車車載鋰電池廠商及其產(chǎn)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-MAX Energi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(chǎn)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(dá)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(lǐng)市場發(fā)展的正是EV用鋰電池。這是因為以日產(chǎn)的聆風(fēng)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(jié)果。