電動車用鋰電池技術的國內外進展

電動車用鋰電池技術的國內外進展簡析摘要：蓄電池及其管理系統是電動車的關鍵技術之一。在以往幾年中，大部分企業在電動車研制中曾遭遇尷尬，主要是因為采用了鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池（Ni-MH）等。今朝，經過研制與試驗比較，采用能量密度更高的鋰電池取代鉛和鎳氫電池，運用于汽車范疇正成為一項核心技術，它具有重量輕、儲能大、功率大、無污染、也無二次污染、壽命長、自放電系數小、溫度適應范圍寬泛，是電動自行車、電動摩托車、電動小轎車、電動大貨車等較為理想的車用蓄電池。缺點是價格較貴、安全性較差。不過今朝已有技術開發錳酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等新型材料，大大提高了鋰電池的安全性，而且降低了成本。作者：祝毓

一、電動車電池技術獲得沖破性發展

蓄電池及其管理系統是電動車的關鍵技術之一。在以往幾年中，大部分企業在電動車研制中曾遭遇尷尬，主要是因為采用了鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池（Ni-MH）等。今朝，經過研制與試驗比較，采用能量密度更高的鋰電池取代鉛和鎳氫電池，運用于汽車范疇正成為一項核心技術，它具有重量輕、儲能大、功率大、無污染、也無二次污染、壽命長、自放電系數小、溫度適應范圍寬泛，是電動自行車、電動摩托車、電動小轎車、電動大貨車等較為理想的車用蓄電池。缺點是價格較貴、安全性較差。不過今朝已有技術開發錳酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等新型材料，大大提高了鋰電池的安全性，而且降低了成本。

表：各種EV蓄電池的特點對比

鉛酸鎳-鎘鎳氫鋰離子傳統型鋰聚合物鉛酸質量能量密度；體積能量密度；工作溫度范圍；目放電率；可靠性質量能量密度；體積能量密度；目放電率質量能量密度；體積能量密度；電壓輸出；目放電率質量能量密度；體積能量密度；結構特點；目放電率鎳-鎘更好的可循環性；電壓輸出；價格質量能量密度；體積能量密度質量能量密度；體積能量密度；電壓輸出；目放電率質量能量密度；體積能量密度；結構特點；目放電率鎳氫更好的可循環性；電壓輸出；價格工作溫度范圍；更好的可循環性；目放電率；可靠性質量能量密度；體積能量密度；工作溫度范圍；目放電率；電壓輸出質量能量密度；體積能量密度；結構特點；目放電率鋰離子傳統型更好的可循環性；安全；價格工作溫度范圍；更好的可循環性；價格；安全；可重復循環價格；安全；目放電率；重復循環質量能量密度；體積能量密度；結構特點；安全；價格鋰聚合物更好的可循環性工作溫度范圍；更好的可循環性；價格體積能量密度；更好的可循環性；價格工作溫度范圍；更好的可循環性絕對優點更好的可循環性；價格工作溫度范圍；價格體積能量密度質量能量密度；體積能量密度；目放電率；結構特點質量能量密度；體積能量密度；目放電率；電壓輸出；結構特點

表：EV蓄電池關鍵技術數據與美國先進蓄電池協作體公布指標比較

比能量a(W/h/kg)比功率密度a(Wh/l)比功率b((W/kg)循環壽命b參考價格d(US$/kWh)閥控鉛酸30-4560-90200-300400-600150鎳-鎘40-6080-110150-350600-1200300鎳鋅60-65120-130150-300600-1200200-350鋅/空氣230269105NAc90-120鋁/空氣190-250190-2007-16NAcNA鈉/硫100150200800250-450鈉/氯化鎳11014915010001-230-350鋰聚合物155220315600NA鋰離子90-130140-200250-450800-1200>200USABC2003004001000<100

注：NA-數據不詳、a-C/3放電率、b-80%DOD、c-機械重充電、d-僅供參考、USABC-美國先進蓄電池協作體。

資料來源：陳清泉、孫立清，電動車的現狀和發展趨勢，科技導報，2005年4月，第23卷第4期

二、鋰電池產業化動態

隨著成本的急劇降低和性能的大幅度提高，已有許多汽車加工廠家開始投入使用鋰電池。下表是主要鋰電池廠商研發與加工概要。截至2006年10月為止，全球主要國家已有20余家車廠進行鋰電池研發。如富士重工與NEC合作開發廉價的單體（Cell）錳系鋰電池（即錳酸鋰離子電池），具有高安全性、低制造成本特點，在車載環境下的壽命高達12年、10萬公里，與純電動車的整車壽命相當。東芝開發的可急速充電鋰離子蓄電池包，除了小型、大容量的特點之外，采用了能使納米級微粒均一化固定技術，可使鋰離子平均地吸附在蓄電池負極上，能在一分鐘之內充電至其容量的80%，再經6分鐘便可洋溢電。美國的主要電池廠JohnsonControls針對電動車需求特性的鋰電池于2005年9月在威斯康星州Milwaukee設立研發地點，2006年1月另出資50%與法國電池廠Saft共同成立JohnsonControls－SaftAdvancedpowerSoluTIon（JCS）。JCS于2006年8月承接了美國能源部(DOE)所主導2年USABC(UnitedStatesAdvancedBatteryConsorTIum)純電動車鋰電池研發計劃合約，另外亦與車廠簽約提供高功率鋰電池。

表：主要鋰電池廠商研發與加工概要

電池廠商產品概要DegussaAG/Enax2005年6月，德國Degussa與日本Enax分別各出資50%在中國成立DegussaEnax（Anqiu）powerLionTechnology公司，加工鋰電池電極與銷售，該廠同時加工電動車用鋰電池電極，并供應至中國與歐美日等國。JohnsonControls－SaftAdvancedpowerSoluTIon（JCS）JCS是JohnsonControls與Saft于2006年1月合并的公司，Saft于1995年開始研發電動車鋰電池，JohnsonControls于威斯康星州的Milwaukee設廠加工專為電動車設計的鋰電池，2005年開始提供美國車廠鋰電池試作品。NECLamilionEnergy2006年3月提供適合電動車用錳系鋰電池，車載電池壽命為2,700W/kg（25℃、10秒、SVOC50%），具高輸出特性，達成10年15萬公里等效距離運行探測，已有20余家車廠擁有研發實績。Sanyo電機2006年3月，日本德島工廠提供1,000組用鋰電池予車廠電動車試用，預定2007年量產。panasonicEVEnergy2005年10月Toyota對panasonicEVEnergy出資從40%提高至60%，已將其納入子公司，預定于2008年在prius裝上可具備外部充電功能的鋰電池，目前正進行實用化性能評估與量產驗證。GSYuasa？2004年3月，開始銷售電動車與不斷電系統鋰電池E-onEX25A（cell）與EX25A-7（模塊）。HitachiVehicleEnergy,Ltd.）日立VehicleEnergy公司系于2004年6月，由新神戶電機43.7%、日立36.7%、日立macell19.6%組成，專門加工電動車用錳系鋰電池。2005年6月研發小型、低成本之鋰電池控制模塊試作品（48cell），鋰電池配合新開發的控制裝置較傳統成本降低12.5%，精簡空間10%。Litcel（日本）2006年開發電動車驅動用Li-ionB4-40鋰電池包（pack），裝置于三菱Colt-EV車上進行實證探測，充電一次續航距離為150km，2010年時目標為240km。

資料來源：FOURIN（2006/11）；臺灣工研院IEK（2007/1）

我國在鋰電池方面的研究水平，有多項指標超過了USABC提出的2010年長期指標所規定的目標，已能自主開發出用量在50~80公斤以下，可適用于電動自行車、電動摩托車、電油混合動力車、油電混合動力電動車，行駛距離在80公里以內的小型、輕型供上下班使用的家用電動小轎車的鋰離子蓄電池，并有足夠好的安全行駛性能。從1997年開始產業化經驗的蘇州星恒作為國家鋰離子動力電池產業化示范工程項目基地，其研發的動力電池包已通過美國UL和歐盟獨立組織ExtraEnergy的探測認證，并在蘇州建成第一條動力鋰電池的加工線并順利試產，目前已實現量產。

三、蓄電池技術還需持續進一步發展

目前，鋰電池使用于電動車的課題，有電池壽命機理（高功率電池老化特征、老化電池診斷、老化電池電化學模型、電池壽命預測辦法開發）、電池的低溫性能表現（低溫性能特點、低溫電解質模型、低溫性能模擬）、容許偏差、過熱偏差、過負載偏差、檢查診斷與降低電池成本（材料篩選與開發、低成本制造）等。而長期探索研究主要聚集在系統與材料兩方面。

一方面，各企業所公布的大部分純電動車蓄電池試驗室探測數據，如加速性能、充電時間、繼續里程數等，還須在復雜的外部環境實際運行下，進一步驗證其可靠性，以及加工批量化質量控制。另一方面，在我國鋰電池加工中，鋰電池所需隔膜材料未能有實質性的沖破，全部依賴進口，價格昂貴，占到動力電池成本的30%以上。如果在這一材料上實現規模化加工技術，即可大幅度降低成本。

此外，有專家認為，從20世紀90年代初各國研究成功的電動車來看，雖然蓄電池的比能量比今朝的新型電池要小，但是各種電動車探測達到的各項性能指標，對一般的使用者來說，也是可以滿足的。當時實現不了電動車產業化的主要原由，在于蓄電池的使用壽命太短。純電動車所使用的蓄電池包成本一般要占新車造價的二分之一，如果需要購車人在幾年之內即更換蓄電池包，就意味著高額的使用成本。今朝，第二代純電動車蓄電池比能量已經有了很大的提高，加工蓄電池的材料與蓄電池的結構也取得了很大的進步，但是其使用壽命并未獲得重大的沖破。即使加速性能完全能達到或超過今天燃油車的最高水平，蓄電池充一次電的行駛里程能超過燃油車目前加一箱油的行駛里程，由于蓄電池壽命限制而造成的高額使用成本也將成為其商業化的一大瓶頸。

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