以傳播城市化專業知識為己任
2025年03月14日
星期五
設為首頁
|
加入收藏
搜索
隨著人們對環境保護與節約能源意識的提升，電動汽車和混合動力汽車越來越引起人們的關注，而兩者發展的核心及難點就在于動力電池技術的發展。今年4月11日，杭州市一輛上路不到三個月的電動出租汽車在街頭忽然自燃。隨后杭州市政府組織的專家調查公布了自燃事故的鑒定結果——電池單體在設計、制造方面不存在質量問題，但電池成組后不能完全滿足車輛使用環境的要求，在應用過程中出現了電池漏液、絕緣受損以及局部短路的情況，從而引發本次事故。盡管此次自燃事故并未造成人員傷亡，但對中國目前風生水起的電動汽車的安全，尤其是動力電池的安全問題提出了拷問!
動力電池的種類
動力電池做為電動汽車的能量來源，是整個電動汽車產業鏈的核心之一，其作用相當于傳統汽車的“汽油”。一般而言，動力電池可分為鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池和太陽能電池等。
鉛酸電池產生于19世紀60年代,，距今已有100多年的歷史，廣泛用作內燃機汽車的動力源，是目前相對比較成熟和應用較廣的電動汽車蓄電池。鉛酸電池具有可靠性好、原材料易得、價格便宜等優點，比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。
鎳氫電池產生于上世紀90年代，相比鉛酸電池，它雖然是動力電池中的新秀，但發展迅速。目前在電動汽車上使用的鎳金屬電池主要有鎳氫電池和鎳鎘電池兩種。
相比其它動力電池，鎳氫電池具有自己獨到的優勢，首先是高比能量(衡量電動車一次充電行駛里程)，據測試，鎳氫蓄電池的動力量幾乎與鋰離子電池的水平相當；其次，高比功率(賦予電動車良好的啟動、加速、爬坡性能) ，鎳氫電池的這一性能高于鋰離子電池；再次，使用壽命長，鎳氫電池平均壽命300—600 次。因此它又被譽為21世紀電動車最有希望的“綠色電源”。
鋰離子電池幾乎是與鎳氫電池同時出現，是由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池，由于它的獨特性能，在短短十幾年的時間里，鋰離子電池技術得到了空前發展。
鋰離子電池基本解決了蓄電池的兩個技術難題，即安全性差和充放電壽命短的問題，同時鋰離子電池具有高電池單體電壓、高比能量和能量密度，可以說是當前比能量最高的電池，且工作狀態穩定。它的性能指標可以滿足USABC制定的電動車中期目標。
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池通常由三部分組成，即陽極(A )、陰極(C) 和電解液(E)，陽極為燃料電極, 在催化劑作用下發生氧化反應并輸出電子到外電路。
90 年代以來燃料電池成為各個發達國家競相開發的電動車電池。加拿大、美國、日本、德國等國家處于領先地位, 其中以加拿大的巴德拉公司最為先進。
太陽能電池是一種把光能轉換為電能的裝置。其能量轉換的基礎是PN結的光生伏特效應。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。
由于太陽能電池還存在光電轉換效率不高、價格太高、電池系統配置較復雜等問題，近期內只能作為電動汽車的補充電源，還不能大規模的生產應用。但太陽能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對它的研究和應用必將會取得長足的進步。
我國動力電池發展現狀
數據顯示，到2012 年，中國將形成50萬輛新能源汽車產能，以單車使用2萬元電池（綜合考慮混合動力和純電動汽車）的平均水平計算，國內汽車動力電池市場規?？蛇_到100 億元，相當于目前鋰電池市場規模增長1倍。業內人士預計，到2020年，新能源汽車帶動的全球車用動力電池市場需求將超過2000億元。中國車用動力電池產業將迎來快速發展的黃金時機。
據不完全統計，去年我國鉛酸電池銷售總額達800多億元。這一名不見經轉的小行業已把中國發展成為全球鉛酸蓄電池的生產基地，鉛消耗量每年達到230多萬噸，已超過美國排在世界前列。鉛酸電池行業在“十一五”初期約有3000多家企業，經過幾年來的市場洗禮和重組兼并，目前有規模的企業不足千家。其中，產值超過40億元的有兩家，超過20億元的有四家，超過10億元的有8家。在這近千家企業中，民營企業占行業75%以上。
相比其它動力電池，鉛酸蓄電池成本低、推廣技術較成熟。但從客觀上講，鉛酸電池的確存在許多缺陷——體積大、重量高，易造成環境污染，能夠提供的功率相對較低。據工信部測算，2009年電池企業排放含重金屬廢水總量1200多萬噸，其中鉛蓄電池企業排放廢水1000多萬噸；產生含重金屬固廢22余萬噸，其中含鉛固體廢物21余萬噸，含鎘固體廢物約4000噸；廢舊鉛蓄電池有組織回收率不足30%。這在一定程度對鉛酸蓄電池未來的發展產生了一定影響。
目前，鎳氫動力電池剛剛進入成熟期，是混合動力汽車所用電池體系中唯一被實際驗證并被商業化、規?；碾姵伢w系，全球已經批量生產的混合動力汽車全部采用鎳氫動力電池體系。目前，長安杰勛、奇瑞A5、一汽奔騰、通用君悅等品牌轎車已經在示范運行，它們采用的都是鎳氫電池，不過電池主要來自國外采購，在運用上仍處于研發匹配階段。
鋰離子電池是新能源汽車主要動力之一，新能源汽車產業化將直接帶動鋰離子電池市場快速增長，再加上傳統的消費電子、電動工具和電動自行車以及新能源儲能系統對鋰離子電池需求的日漸擴大，鋰離子電池及其材料市場空間巨大。2010年全球鋰離子電池市場規模達到870億元，中國鋰離子電池市場規模達到250億元。
近幾年來，我國的汽車鋰電池產業從無到有，從小到大，產業起步雖晚于日本，但發展非?？欤趧恿︿囯x子電池的研發上也投入了大量財力、物力。我國的汽車鋰離子電池研發項目一直是國家“863”的重點項目，目前大部分材料實現了國產化，國內已自建和引進多條生產線，配套材料廠也有多個，均已形成大規模生產。
從技術上來講，鋰電池具有更高的能量密度、更大的放電功率、自放電小、壽命長和成本低廉而被認為是未來汽車動力電池的發展方向。但是從產業化進程來看，鋰離子電池所需的正極材料磷酸鐵鋰、電解液的核心原材料六氟磷酸鋰、動力電池用隔膜在國內都尚處在研發階段，大規模投入使用尚需時日。
三年前，我國的比亞迪、萬向集團、深圳比克電池、天津力神電池與美國邁爾斯的合資企業等都置身于鋰電池的研究。目前，比亞迪已成為國內唯一掌握車用磷酸鐵鋰電池組規?；a技術的企業，在比亞迪純電動車E6和混合動力車F3DM中已正式推出搭載其自主研發的鋰動力電池。
得天獨厚的優勢
在動力電池研發上，相比歐美日等發達國家，中國在某些方面還比較落后，但在產業基礎和成本上，我們具有得天獨厚的優勢，這對加速中國新能源汽車的發展無疑會起到相當重要的作用，因為電池是決定電動車和插電式混合動力車成敗最關鍵的因素。
英大證券汽車行業研究員王梁表示，在動力電池目前各國均未獲得突破的情況下，中國因為較為豐富的鋰資源儲量而將獲得更多的話語權。據統計，在全球鋰資源儲量中，中國排名第四，約占全球儲量的12%。
埃森哲數據顯示，全球市場20%的電池來自于中國，在鋰電池生產行業，中國的產業規模比較優勢高于日韓等國家。由于產業規模大，勞動力成本相對較低，中國動力電池的平均生產成本低于行業平均水平。
被人們形象地地稱為“吸氫海綿”的鎳氫電池，其主要成分之一就是稀土，而中國的稀土資源占世界總儲量的70%以上，發展鎳氫電池具有得天獨厚的優勢。因此中國鎳氫電池的研制與開發，受到了國家“863計劃”的大力支持，被列為“重中之重”項目。
鉛酸電池在中國已有較久的生產歷史，技術也最為成熟。近些年來，在科技人員的努力下，除本身的性能改進外，鉛酸電池的應用結構也在發生著變化。哈爾濱工業大學應用化學系主任胡信國提出了“超級電池”的概念。
超級電池是把鉛酸電池和超級電容器混合在一起，同時具備鉛酸電池和超級電容器的功能。超級電池把鉛酸電池負極板的一半做成超級電容器的“碳電極”，另一半做成鉛酸電池的“鉛負極”，在電池內部將兩者并聯起來。汽車啟動時所需的大功率用電由碳電極提供，勻速行駛時所需能量由鉛酸電池的鉛負極提供。車輛需要大電流時，超級電容器起主要作用。兩者功能實現互補，因而比普通鉛酸電池更具優越性。
據介紹，這種超級電池的體積比超級電容器小，價格只有鎳氫電池的1/4?！八怯芍圃旒夹g成熟的鉛酸電池升級換代而來，因此在成本上不需要更多投入，同時安全性也有保障。超級電容器可保證很大的功率，能滿足強混合動力車的要求?！焙艊f。
除了成本優勢之外，中國在動力電池上的另一個優勢就是市場廣闊。有數據顯示，五年之后，中國超過一半的公交車將是電動車或混合動力車，因此隨著時間的推移，對動力電池的需求會出現幾何等級的增長。也正因如此，中國汽車工業協會的黃志明表示，無論是日本，還是歐美，其國內電動汽車的規模根本沒法與中國相比。
“中國的汽車動力電池不僅僅是供本國使用，現在我們國家一些企業的動力電池已經出口到歐美日等國家，隨著技術的進步，相信會有更多企業的產品會出口到歐洲市場，這無疑會大大增加中國電池生產企業的信心。”清華大學汽車工程系的李玉林這樣說道。
亟需突破的瓶頸
在廣闊的市場前景和國家相關政策的激勵下，國內動力電池的制造商們可謂雄心勃勃，紛紛加大了企業的研發投入，并取得了一定的成績。
奇瑞新能源在已掌握電動汽車整車集成及關鍵零部件開發、生產等技術的基礎上，開始將研發觸角深入到更加細致的電池隔離膜領域。早在去年8月份，奇瑞汽車旗下的蕪湖奇瑞科技有限公司就正式宣布，與明基友達集團旗下的明基材料簽署協議，成立達尼特材料科技(蕪湖)有限公司，雙方將合作研發、生產應用于動力鋰電池的隔離膜材料。
前不久，長豐集團與美國迪美科技集團聯手打造的豐源迪美汽車電子產業園在長沙經開區奠基，預計到2015年，該產業園將形成年產100萬臺(套)汽車電子產品生產能力，年銷售收入可達50億元。同時，長豐集團還新成立了豐源業翔晶科新能源股份有限公司，專業從事鋰電池、超級電容器及動力電源系統的開發與生產。長豐集團總經理劉康林表示，長豐將以電動汽車為主攻方向，以動力電池為突破口。
盡管如此，中國的動力電池乃至整個新能源汽車產業鏈的現狀卻不容樂觀。中國機械工業聯合會執行副會長、中國汽車工程學會理事長張小虞日前表示，當前中國新能源汽車動力電池存在兩大亟需突破的瓶頸。
首先是污染。隨著我國經濟的快速發展，近年來對鉛酸電池的需求迅速增長，再加之這個行業的門檻也比較低，結果導致整個行業內企業數量猛增，但企業規模普遍過小，低水平重復建設大量存在。
據中國電池工業協會的數據，目前我國有2000多家鉛酸蓄電池企業，有生產許可證的企業約1800多家，產值在500萬元以上的企業只有200多家，不到整體數量的10%，而產值在億元以上的則更少。
今年3月，環境保護部對11個重點省份31個重點地市的388家鉛酸蓄電池企業進行督查。督查情況顯示，鉛酸蓄電池行業中除少數大型企業較為規范外，大多數中小企業存在建設項目違法問題多、污染治理設施運行不正常、危險廢物處理處置不當、衛生防護距離不落實等問題。
中國電器工業協會會長楊啟明表示，鉛酸蓄電池企業是三大鉛污染源之一，這是不可回避的。要保持鉛酸蓄電池工業的持續發展，重視鉛污染的防治和再生鉛的加工已經成為我國鉛酸蓄電池業的當務之急；企業和行業之間必須加強自律，建立起有效的管理網絡，以共同促進鉛和鉛酸蓄電池市場的健康有序快速發展。
制約中國動力電池產業發展的另一瓶頸就是技術，尤其是核心技術。張小虞坦言，在電動汽車關鍵零部件當中，動力電池是技術門檻最高、也是利潤最集中的部分。如果不能掌握動力電池的核心技術，中國新能源汽車注定將遭遇“天花板。
據調查，我國動力電池在核心部件，以及高毛利率的原材料供應等方面，仍由外資企業占據優勢。以動力鋰電池為例，其中電解液在鋰電池成本中的占比也只有10%左右，但是毛利率則超過40%，是鋰電池產業鏈中盈利能力較強的環節之一。
而電解液的主要原料現為關東電化學工業、SUTERAKEMIFA、森田化學等幾家日本企業壟斷。同時，正極材料的毛利率約為25%-30%，不過由于其資源門檻極高、產能高度集中，目前也被國外寡頭壟斷。對于毛利率高達70%的隔膜，國內80%以上的市場已經被美、日進口產品占領，國產隔膜只是在份額不高的中、低端市場被使用。
在技術上，我國磷酸鐵鋰發展本來與國際基本同步，但國內尚未誕生真正的領軍企業，行業缺乏原始創新技術。目前，國際上在磷酸鐵鋰電池行業處于領先地位的企業主要有3家，分別是美國的高博（A123）公司和威能（Valence）公司以及加拿大的佛斯泰克（Phostech）公司。磷酸鐵鋰技術在國外被看作戰略性技術，美國、加拿大等政府為此不惜以國家的力量參與技術壁壘的建立。
在動力電池4大原料中，我國本土企業目前主要在負極材料方面具備了成熟的技術條件和“中國制造”的成本優勢，不過，負極材料大多以石墨、固體碳粒為主，在電池總成本中的分量不高，并不是發展鋰電池的限制性環節，其整體盈利能力也不強。除此之外，正極、電解液和隔膜等毛利率較高的原料，大多依賴進口。
正因如此，業內人士指出，新能源汽車競爭的核心是技術，當前最迫切的是實現動力電池技術的突破。一旦突破了技術瓶頸，新能源汽車的價格成本也會隨之降下來，只有這樣，中國車企才可能在與歐美車企的競爭中憑借新能源汽車“彎道超車”！
