美国电动车动力电池的研发近况

贾 明，赖延清，刘业翔

(中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083)

能源危机日益严重，环境不断恶化，使人们期待电动车早日应市［1］。电动车包括混合动力(HEV)、插电式混合动力(PHEV)、纯电动(EV)、燃料电池和下一代电池电动车。它们以电力作为动力源、无(或少)尾气排放、节能环保，受到了世界各国的高度重视［2］。

电动车的高速发展对动力电池的容量(续航里程)和充电速度提出了更高要求［3］。美国正力图在全球电动车市场占据主动权。本文作者着重介绍美国动力电池的研发情况和政府相关政策。

1 美国发展电动车的背景

近几年，美国电动汽车产业的发展进入了加速期。美国“电动汽车热”的出现，并非一时之兴，而是有着深层次的政治、经济与社会背景。

1.1 国家安全需求

美国目前95%以上的汽车都是通过石油提供动力。实现汽车电动化，就可通过本土的燃煤发电、天然气发电、核电及其他新型燃料发电等方式提供动力，从而实现汽车动力来源的本土化和多元化，保障国家安全。

1.2 节能减排压力

美国人口只占全球总人口的5%，但温室气体排放却占全球总排放量的20%以上。如果美国汽车的75%左右实现电动化，可减少27%的温室气体排放和52%的石油进口［4］。

1.3 经济振兴的需要

金融危机对美国经济造成了沉重打击，汽车产业是美国经济的支柱性产业。发展电动汽车既可以重新振兴美国汽车工业、扩大就业，同时也会带动电网系统、电池技术、电机和电控系统、智能软件设计的全面发展，进而构筑支撑美国未来发展的核心产业链。

1.4 新能源发展和市场增长迅猛

2012年，全球动力电池市场规模为160亿美元，到2020年，预计达到220亿美元［5］。奥巴马政府想在2015年前达到100万辆电动车(包括混合动力电动车)上路，潜力很大。

2 24亿美元政府资助及分配

2009年8月，美国总统奥巴马宣布，按《美国复苏与再投资法案》，将给予48个新的先进电池和电力驱动项目24亿美元的资助，大致的分配情况见表1。美国政府给予先进电池项目大力资助，力争创建新一代先进汽车的领导地位［6］。

表1 政府24亿美元资助分配Table 1 Distribution of government$24 billion in funding

最大的单笔补贴授予江森自控有限公司，该公司获得了近3亿美元，用于生产混合及电力车型电池部件，目前正在福特公司的支持下，于密歇根州建立电池厂。A123系统公司为克莱斯勒的电动车型和混合动力车型供应电池。以上两个公司获得总额约5.5亿美元，以建立国家先进电池生产基地。EnerDel公司获得的1.185亿美元，用于印第安纳波利斯工厂生产锂离子电池;福特汽车公司获得的9 270万美元中，有6 270万美元用于密歇根州的电动汽车零部件工厂;克莱斯勒获得的7 000万美元，用于开发和装配高级混合电动皮卡和小型货车。

副总统拜登在底特律宣布了10亿美元的资助项目，给予总部在密歇根的清洁能源制造公司和密歇根大学;另外给予康派克功率和陶氏柯卡姆两个公司，总额超过3亿美元，用于制造电池及电池材料。密歇根的大汽车制造商，包括通用、克莱斯勒和福特，也获得4亿多美元的支持，以制造电池和电动传动部件。密西根大学、韦恩州立大学和密西根理工大学，获得资助1 000多万美元，作为科研人员、技术人员和服务商的培训费用，并进行消费者研究，以加快他们过渡到先进的汽车和电池行业中来。

交通部则资助东宾夕法尼亚制造有限公司3 250万美元，以增加阀控铅酸电池和超级电池的生产能力，用于微型和中等混合动力汽车。

3 美国能源部及主要的研制单位

受美国政府资助，承担动力电池研发任务的主要是美国能源部和其下属机构及一些民间的研制单位。

3.1 能源部下属机构

发展电动车和动力电池主要由美国能源部主持，能源部下属的“能源效率和可再生能源局”和“国家可再生能源实验室(NREL)”承担主要的研发计划与任务［7］。能源部所属的国家实验室当中，以阿贡国家实验室承担的任务最多，也最突出［8］。车辆技术局的下属机构——“先进运输技术的电池计划(BATT)”，主要任务是解决车辆用动力电池的制备、一致性、价格、寿命和安全问题。

3.2 与能源部合作的民间组织

与能源部下属有关的单位合作的还有一些民间组织，如美国汽车研究理事会(USCAR)、美国先进电池联合会(USABC)，该联盟下还有一个专门从事研发的机构——电化学储能研究团队。这些组织主要解决市场需求、性能和售价等方面的战略性工作，由各机构的代表所组成。

4 美国在销电动车及动力电池

根据福特汽车公司的估计:2015年全球电动车中全部生产HEV的公司有:本田、现代和丰田;80%生产HEV的公司有:BMW、福特和大众。2015年产量为60%的产品为PHEV的汽车公司有:雷诺和日产的合资公司。

对纯电动车而言，电池的开发还有很长的路要走，目前这一代纯电动车电池，能量达到23 kWh，质量是226.80 kg，体积125 L;几年以后，会出现第二代的动力电池，质量181.44 kg，体积100 L，充电一次行驶100 km;第三代，再过两三年，电池质量降到113.40 kg，体积75 L。可能要两到三代的电池技术，才能真正达到全面推广应用的程度。表2为目前在美国销售的一些纯电动车所用电池。

表2 在美国销售的一些纯电动车所用电池Table 2 Batteries for some pure electric vehicles sold in America

5 动力电池研发和生产概况

5.1 A123系统和LG化学

美国电动车所用电池，很多是A123系统公司供应的［9］。该公司的电池核心技术来自麻省理工学院，主要使用磷酸铁锂正极材料，现在的产品主要用在交通和电网储能方面。

韩国的LG化学近5年向电池行业投资了10亿美元［10］，制造各种类型的锂离子电池，最大产品类型是小型圆柱形或方形电池，用于手机和笔记本电脑。

5.2 Tesla Model公司

Tesla S型EV由Tesla Model公司2013年生产，被美国国家环保局评定为目前市面上续航距离最远的EV(单次充电可行驶426 km)。该车所用的锂离子电池有60 kWh和85 kWh两种，其中85 kWh的电池包由8 142只单体电池构成，采用Panasonic NCR18650A、容量为3 100 mAh的电池，采用的正极材料是LiNiCoAlO2+9%Co，该材料特别适用于电动车;60 kWh的电池与85 kWh的电池结构大体相同，但单体电池为7 000只。

5.3 比亚迪公司

“BYD秦”是比亚迪公司设计的具有更高效的双模电动动力系统的EV，使用13 kWh的磷酸铁锂电池。秦的电池效率比F3DM提高7%，属于节能型EV模式。

5.4 通用汽车公司

通用的EV1电动车最早开发于1996年，第一代车型所用电池为松下公司生产的传统铅酸电池。动力电池包的总能量为18.7 kWh，电压为312 V，共由26个小模块组成，每个模块的质量为18.8 kg，动力电池包的总质量为1 175 kg，充电时间为5 h 18 min。

5.5 其他

其他一些生产电动汽车的生产商包括丰田、日产和通用雪佛兰等。丰田RAV4 EV是丰田的第二代RAV4型的电动车，电池包由450只锂离子电池构成，129 kW、386 V［10］。通用公司的Volt，即雪佛兰Volt，电池组有161个组件、9个模块和288只单体电池。

6 正在开发的新型电池和电池材料

根据公开发表的资料，美国和在美国的外资企业正在大力研发新型的动力电池及材料。

6.1 碳纳米管正极材料

将多层碳纳米管用作正极材料，可使储存的能量比现在的产品多十倍。这种材料还可促进固态电容器的开发，把电池和电容器组合起来，以储存更多的能量［11］。

6.2 铜纳米线负极材料

能源部资助主持研发的一种电池采用具有微孔的细铜线替代多孔的导电石墨电极，称为3D单元(大小为人头发丝直径的数千分之一)，在表面可储存较平板金属表面更多的离子，不仅储存离子的能力高于现有的石墨材料，而且传热性能优异。

6.3 锂空气电池

采用锂空气电池的目的是增加电池的功率，使电动车一次充电能行驶800 km。实用的锂空气电池有关技术，IBM公司未予透露［12］。业界认为，这种锂空气电池电动车可能在2020年实现商业化。

6.4 锂硅电池

采用硅替代碳作负极，可以储存更多的电能［13］。这种电极具有柔性，能克服硅材料充放电过程中的膨胀问题，有利于提高充电速度。

6.5 泡沫碳电容器混合动力电池

这种电池是由储存电能的化学电池和高效固态电容器相结合而成。采用泡沫碳作为电极，以增加储存的能量，仍使用碳负极。这种耦合的电池/电容器，不仅比常规的锂离子电池质量轻，而且能比传统电容器提供更多的电荷，同时，能够充电数千次而没有明显的性能衰退。

6.6 锂硅聚合物电池

美国劳伦斯伯克利国家实验室正在研发一种名为锂硅聚合物的电池。这种电池使用了特别结构的聚合物电极，而非硅电极，特点是可以防止硅在充放电时的膨胀与收缩，避免电池结构的破损，储能性优于普通锂离子电池。

6.7 锂硫电池碳纳米纤维负极

这种电池的特点是以硅作为负极能够储存更多的Li+，可以提高能量密度，但问题是当它吸附Li+的时候，会出现明显的膨胀，破坏负极的导电通道，用碳纳米纤维来替代硅，可以减轻这种影响。

6.8 锂锰复合材料-硅碳纳米复合材料

锂锰复合材料-硅碳纳米复合材料的研究获得了多家美国汽车公司、联邦政府和加州能源局的资助，预期达到商业应用后，使用这种材料的电池充电一次可以行驶300 km。

6.9 有机化合物正极材料

松下公司正致力于采用有机化合物正极材料的有机充电电池的开发。有机充电电池不含重金属，受资源限制少，能制造出质量很轻而且柔软的产品［14］。这类有机电池的最大特点是:无论采用哪种材料类型，通过构造材料聚合，都能防止溶解，并大幅提高充放电特性。

表3列出了松下开发的有机聚合物的相关特性。

表3 松下开发的有机聚合物的特性Table 1 Characteristics of organic polymer developed by Panasonic

6.10 铅酸电池新发展

推动12 V铅酸电池新发展——具有吸收玻璃垫的电池(AGM)。12V铅酸电池在电动车当中仍然十分重要［15］，因为还有许多重要的供电需要用到这种电池。现在正在开发新的硅胶和玻璃垫，以及板栅所用铅-钙合金，以提高铅酸电池的性能［16］。

7 总结

本文作者介绍了美国发展动力电池的背景，在此背景下美国政府在动力电池研发方面的政策和投入，重点讨论了美国动力电池的研究机构、在研企业和相关的电池研发情况。希望本综述能够给做动力电池研发的同行提供一些参考。

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［3］Armand M，Tarascon J M.Building better batteries［J］.Nature，2008，451(7):652 －657.

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