能源瓶頸和環(huán)境污染已成為全球性問(wèn)題，交通污染已成為中國(guó)城市PM2.5等顆粒污染物的來(lái)源之一，霧霾天氣頻頻發(fā)生，控車(chē)治霾的思路被廣泛提及。相比限購(gòu)、限行等限制性行政政策而言，大力推廣和發(fā)展低排放的新能源汽車(chē)，包括純電動(dòng)汽車(chē)(EV)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)、燃料電池汽車(chē)等，是有效治理污染的重要途徑之一，這一觀點(diǎn)已成為國(guó)際共識(shí)。

 

發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本等紛紛制定了國(guó)家計(jì)劃來(lái)推進(jìn)傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。美國(guó)出臺(tái)了一系列新能源計(jì)劃，將大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)作為實(shí)施新能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。2012年美國(guó)啟動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)國(guó)家創(chuàng)新計(jì)劃《EV Everywhere》，加大對(duì)高性能鋰離子電池材料、插電式車(chē)輛技術(shù)、輕量化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的支持。日本一直將發(fā)展清潔能源、可再生能源作為國(guó)家戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，國(guó)家政策對(duì)新能源汽車(chē)發(fā)展始終給予大力支持，計(jì)劃到2020年普及以電動(dòng)汽車(chē)為主體的下一代汽車(chē)。目前日本混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)全球銷(xiāo)量第1，其產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)純電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)程也是全球最快的。

 

近年來(lái)，我國(guó)政府采取了一系列措施推廣新能源汽車(chē)，一方面中央和地方政府相繼出臺(tái)了各種新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策鼓勵(lì)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē);另一方面通過(guò)制定未來(lái)我國(guó)汽車(chē)燃耗目標(biāo)倒逼整車(chē)企業(yè)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)，如圖1所示。 除了政策指導(dǎo)，我國(guó)政府還利用各種機(jī)會(huì)積極推廣新能源汽車(chē)的使用。繼奧運(yùn)會(huì)和世博會(huì)2大盛會(huì)之后，近年舉辦的全國(guó)兩會(huì)、中博會(huì)、達(dá)沃斯論壇、博鰲論壇等都有新能源汽車(chē)示范運(yùn)行。國(guó)內(nèi)車(chē)企也紛紛涉足新能源汽車(chē)的研發(fā)、生產(chǎn)、示范運(yùn)行及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。比亞迪股份有限公司、奇瑞汽車(chē)有限公司、東風(fēng)汽車(chē)公司、長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司、上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司、中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司、宇通集團(tuán)、中通客車(chē)控股股份有限公司(簡(jiǎn)稱“中通客車(chē)”)和重慶恒通客車(chē)有限公司等目前已經(jīng)成功研發(fā)多款轎車(chē)及客車(chē)等。

 

 

圖1 未來(lái)中國(guó)汽車(chē)平均能耗目標(biāo)

 

在政府一系列利好政策的引導(dǎo)下，我國(guó)新能源汽車(chē)研發(fā)呈現(xiàn)較好的發(fā)展局面，各汽車(chē)廠商也積極推廣新能源汽車(chē)，并取得了較好成績(jī)。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，2015年1—7月，新能源汽車(chē)生產(chǎn)95 530輛，銷(xiāo)售89 549輛，同比分別增長(zhǎng)2.5倍和2.6倍。7月，新能源汽車(chē)銷(xiāo)售更是取得了同比增長(zhǎng)3.3倍的佳績(jī)。新能源電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)在不斷升溫，動(dòng)力電池也進(jìn)入高速發(fā)展期，據(jù)統(tǒng)計(jì)，今年上半年動(dòng)力電池產(chǎn)量達(dá)到2.72GWh，較去年上半年的0.94GWh增長(zhǎng)近2倍。

 

二、 新能源汽車(chē)對(duì)動(dòng)力電池的應(yīng)用需求

 

動(dòng)力電池是各種電動(dòng)車(chē)輛的能量載體和動(dòng)力來(lái)源，動(dòng)力電池的性能直接決定了車(chē)輛的性能。新能源汽車(chē)用動(dòng)力電池包含：鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、超級(jí)電容、燃料電池等。為了滿足新能源汽車(chē)等技術(shù)的應(yīng)用要求，動(dòng)力電池需要具有高安全性、高能量密度、高功率性能、優(yōu)異的循環(huán)壽命、工作溫度范圍廣和低成本等特性。新能源汽車(chē)包含混合電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 、燃料電池混合電動(dòng)汽車(chē) (FC-HEV)、插電式混合電動(dòng)汽車(chē) (PHEV)和純電動(dòng)汽車(chē) (EV)等。不同類型的電動(dòng)汽車(chē)對(duì)動(dòng)力蓄電池的要求不同，概述如表1所示。

 

 

表1 不同電動(dòng)汽車(chē)對(duì)動(dòng)力電池的要求

 

從表1中可以看出，鋰離子電池的性能幾乎可以滿足所有類型電動(dòng)汽車(chē)需要，鋰離子電池是當(dāng)前所有可充電電池中綜合性能最優(yōu)的一種電池，也是目前最佳的能應(yīng)用于插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的電池。

 

鋰離子電池負(fù)極材料包含碳負(fù)極材料、鈦氧化物、錫與碳的復(fù)合物、硅的復(fù)合物等。目前商業(yè)化的鋰離子電池的負(fù)極材料主要采用碳負(fù)極材料。碳負(fù)極材料電池有著比能量高、功率性能好等優(yōu)勢(shì)，但是碳電極與金屬鋰的電位接近，當(dāng)電池過(guò)充電時(shí)容易在碳電極表面析出金屬鋰形成鋰枝晶，鋰枝晶會(huì)刺穿隔膜引起短路等安全隱患問(wèn)題。同時(shí)，碳負(fù)極電池在首次化成時(shí)電極表面還原形成表面膜(SEI膜)，SEI膜的形成和修復(fù)過(guò)程會(huì)消耗電解液，造成不可逆容量加大，電池衰減加劇而影響電池使用壽命。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料嵌鋰電位約1.5V，不會(huì)形成鋰枝晶，在充放電過(guò)程中體積應(yīng)變小于 1%，并且納米化的鈦酸鋰電池具有大電流充放電能力，能夠數(shù)分鐘完成充電，即便是在低溫環(huán)境條件下快速充電也難以析出鋰枝晶，所以鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)和安全性能優(yōu)異的特點(diǎn)，可以保障快速充電應(yīng)用領(lǐng)域電池的耐久性和安全性。因此，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)要求高安全性、高穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命周期的應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

 

三、 鈦酸鋰動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化

 

2008年?yáng)|芝報(bào)道了4.2Ah SCiB超級(jí)鋰電池(Super Charge ion Battery)高功率鈦酸鋰鋰離子動(dòng)力電池，標(biāo)稱電壓為2.4V，能量密度約為67.2Wh/kg(131.6Wh/L)。由10個(gè)單元串聯(lián)組成的標(biāo)準(zhǔn)模塊能量密度約為50.4 Wh/kg(74.7 Wh/L)。在快速充放電條件下〔25℃，10C(42A)充電，15A放電〕，充放電循環(huán)3 000次，容量衰減不到10%。以50A的大電流進(jìn)行快充，電池單元及標(biāo)準(zhǔn)模塊均可在5min充滿90%以上的容量。電池還具有良好的低溫放電性能，在-30℃仍可放出80%以上的容量。