干貨│全球電動汽車動力電池產業發展進程知多少

引言

燃油消耗引起的能源危機以及尾氣排放帶來的環境污染使得汽車的電動化趨勢在所難免，而動力電池作為電動汽車的核心部件，對電動汽車的未來發展具有至關重要的作用。世界各國，尤其是美、日、德、韓、中大力支持動力電池技術和產業的發展。下面就一起看看全球電動汽車動力電池研究發展吧。

1 動力電池產業發展概況

目前世界范圍內動力電池研發和產業化的三個集中區域分別位于德國、美國和中日韓所在的東亞地區，而鋰離子動力電池的生產目前主要集中在中日韓三個國家。隨著動力電池產能規模的擴大，動力電池價格將呈現快速下降的趨勢(圖1)。

圖1 全球動力電池系統價格的變化趨勢

1.1化學蓄電池——商業化使用最多的電池

縱觀電動車的發展歷程，出現過多種不同類型的汽車電池，其中產生巨大影響并商業化使用至今的電動汽車電池是化學蓄電池，主要包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。其中鋰離子電池除了在價格和安全性方面處于劣勢以外，其他方面均處于領先地位，是目前最理想的動力電池體系(圖2)。

圖2電動汽車電池性能比較

國際主流電池公司量產的動力電池產品相關信息如表1所示。

表1?國際主流電池公司量產的動力電池產品相關信息

從上圖可以看出，目前電動汽車用動力電池以鋰離子電池產品為主流方向，鋰離子動力電池主要用于純電動汽車及插電式混合動力汽車。但純電驅動續駛里程相對燃油車較短(純電續駛里程大多在200 km以內)，動力電池成本依然較高，安全性能有待進一步改善提高。

1.2 太陽能電池——最清潔的可再生能源

太陽能清潔無污染且易獲取，但太陽能具有地域性、季節性和時域性等特點，同時太陽能電池能量密度小、轉化效率低(20%)及成本高，導致太陽能電池在汽車上還不能廣泛使用。目前主要用在太陽能賽車和短距離電瓶車上。

1.3 超級電容電池——電池工業的革命性飛躍

在電動汽車中超級電容器有三種應用途徑：以超級電容器作為惟一電源的純電動公交車；以超級電容器和其他儲能電池一起作為純電動汽車的動力源；以超級電容器和其他燃油作為混合動力汽車的動力源。在近期的研發中，超級電容器要著手解決兩大關鍵性問題：能量密度偏低的均壓問題。

1.4 燃料電池——電動汽車電池的終極解決方案

燃料電池具有高效、潔凈、兼容可再生能源技術等優點，工作安靜，起動迅速，比功率大，輸出功率可隨時調整。全球來看，燃料電池汽車還處于實現商業化的推進階段，解決來自于壽命、成本與氫源的三大挑戰是目前研發創新的關鍵。

2 國家層面動力電池發展規劃

2.1 美國動力電池國家規劃

美國能源部所屬的能源效率及可再生能源辦公室發布了“電動汽車無處不在大挑戰藍圖”(圖3)。該藍圖重點支持應用于插電式混合動力汽車的鋰離子電池技術研發。為實現藍圖目標，美國能源部所屬的能源效率及可再生能源辦公室、能源先進研究項目辦公室和科學辦公室分工合作，共同推動車用動力電池的技術進步。

圖3?“電動汽車無處不在大挑戰”設置的動力電池系統技術指標

2.2 日本動力電池國家規劃

日本經濟產業省在2011年的報告中提出了車用動力電池的功率密度、能量密度及成本的目標值(圖4)。2013年日本經濟產業省下屬的新能源與工業技術開發組織發布了“二次電池技術路線圖2013”，提出了電動汽車用及固定式用二次電池的技術指標(表2)。

圖4?日本經濟產業省設置的動力電池系統相關參數目標值

表2?日本車用動力電池的主要技術指標

2.3 德國動力電池國家規劃

德國政府為推動電動汽車的發展，制定了國家電驅動平臺計劃，主要在材料開發及電池技術、創新性電池設計技術、安全性評估及測試流程、電池壽命的建模與分析、大規模生產的工藝技術等五方面開展研發工作，提出了動力電池系統主要性能參數(2014-2020)(圖5)。

圖5?德國電驅動平臺設置的動力電池系統技術指標

2.4 韓國動力電池國家規劃

韓國知識經濟部大力支持電動汽車用鋰離子電池的研發工作，著重對鋰離子動力蓄電池單體、模塊、系統及關鍵原材料等進行攻關研究。世界首要材料項目和二次電池技術研發項目涵蓋基礎研究、關鍵原材料、測試評價及標準、動力電池應用，以期在韓國打造完善的動力電池產業鏈。

2.5 中國動力電池國家規劃

中國科技部在第十二個五年計劃中發布了電動汽車重大項目(2011-2015)，研發布局如圖6所示。

圖6?中國科技部電動汽車重大項目動力電池研發布局

國務院發布的節能與新能源汽車國家規劃(2012-2020)，重點支持動力電池的產業化和電池模塊的標準化(圖7)。在國家第十三個五年計劃中設立了新能源汽車重點研發專項(2016-2020)，提升鋰離子電池的技術水平，開展新型鋰離子電池的技術開發，開展新體系電池的技術開發。

圖7?中國節能與新能源汽車規劃設置的動力電池模塊相關參數指標

綜上所述，以中、美、日、韓、德等為代表的各國形成官產學研的開發體制，積極開展鋰離子動力電池的技術攻關研究。

3 中國動力電池發展概況

目前，中國形成了珠江三角洲、長江三角洲、中原地區和京津區域為主的四大動力電池產業化聚集區域。中國主流動力電池公司產能統計如表3所示。

表3 中國主流動力電池公司產能統計

3.1 中國動力電池技術發展變化趨勢

通過3個五年計劃的大力支持，動力電池的材料體系選擇呈現多元化，中國動力電池技術路線多元化的變化趨勢如圖8所示。目前已形成了完善的鋰離子動力電池產業鏈體系，掌握了動力電池的配方設計、結構設計和制造工藝技術，生產線逐步從半自動中試向全自動大規模制造技術過渡。

圖8 中國動力電池技術路線多元化的變化趨勢

正極材料：中國目前以磷酸鐵鋰材料為主，但該材料能量密度進一步提升的空間有限，隨著對動力電池能量密度要求的大幅提升，向鎳鈷錳、鎳鈷鋁或其混合材料的轉換趨勢明顯。

負極材料：石墨類材料仍然是主流的選擇，合金類(如硅碳)和鈦酸鋰材料也是當前及今后一段時間產業化及應用的重點方向。

隔膜材料：聚烯烴材料是主流的選擇，同時發展對隔膜材料表面進行改性處理的技術。

電解液：六氟磷酸鋰依然是市場主流產品。同時，一些新型的鋰鹽在市場上出現并得到了初步的應用(如雙氟磺酰亞胺鋰鹽)。

動力電池2020年預期實現產業化的材料體系及單體電池技術指標如表4所示。

表4 動力電池預期實現產業化的材料體系及單體電池技術指標(2020年)

3.2 中國動力電池產業化發展面臨的問題

(1)設備及材料與國外的差距。產業鏈已初具規模，但結構仍不完善，部分核心裝備及原材料還完全依賴進口。

(2)動力電池系統集成技術與實用化的差距。缺乏機械、電與熱融為一體的鋰離子電池系統設計優勢，以及深入的電池管理系統及電子控制技術研發能力。

(3)動力電池系統評價力度及深度不夠。考核力度及完整性還有很大欠缺，示范運營代替了部分動力電池系統的臺架試驗和整車考核試驗。

(4)動力電池市場競爭加劇。

4 結論

動力電池作為電動汽車的核心零部件，近幾年在產業化方面發展迅速，有力地支撐了電動汽車產業的發展。為滿足汽車產業及普通消費者對長續駛里程電動汽車的迫切需求，新型鋰離子電池及相關材料技術得到了高度關注，可以預期相關技術將取得長足進步并實現規模應用。動力電池將隨著電動汽車的快速發展，迎來爆發增長的黃金期。

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本文由材料人編輯部deer供稿，材料牛編輯整理。

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