新能源汽车电池的春天

刘春娜

2014年8月13日，《人民日报》刊登了记者王政的文章《新能源汽车的春天来了》。文章中描述了新能源汽车上半年产销双超两万辆，预计全年产销将达到五万辆。近年有关部门积极推动新能源汽车产业发展和推广应用，出台了一系列政策措施，极大地推动了新能源汽车的商业化。截至目前，全国累计有两批共88个城市列入了新能源汽车示范推广计划。新能源汽车销量从2011年全年的8159辆增长到了2014年上半年的20477辆。此外，对符合要求的新能源汽车免征车船税以及从2014年9月1日到2017年底对符合条件的新能源汽车免征车辆购置税等政策，也催生了市场的热情。随着新能源汽车的快速发展，新能源汽车电池也迎来了发展的春天。

1 新能源汽车电池的主要类别

从新能源汽车的发展来看，其动力电源主要包括锂离子电池、燃料电池、氢镍电池、铅酸电池等。2010年6月发布的新能源汽车补贴以电池容量为确定补贴的唯一指标，铅酸电池完全被否定。前期的新能源汽车定义中包括铅酸电池的项目，而现在明确补贴的动力电池不包括铅酸电池，作为混合动力主力的氢镍电池也将很少补贴。可见，在政策层面，锂离子电池和燃料电池已经成为最大的获益对象，其中又以锂离子电池研究最为广泛。

2 新能源汽车用锂离子电池

锂离子电池以其优越的性能和较为成熟的技术成为未来十年新能源汽车用电池首选，其主要优势有：(1)具有更高的质量比能量、体积比能量，目前能达到100~125 Wh/kg和 240~300 Wh/L，是氢镍电池的1.5倍；(2)电压高：单节锂离子电池电压为3.6~3.9 V，相当于3只氢镍电池的串联电压；(3)自放电小，可长时间存放：充满电的锂离子电池储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于氢镍电池的30%~35%；(4)无记忆效应：锂离子电池不存在所谓记忆效应，所以其充电前无需放电；(5)寿命长：正常工作条件下，锂离子电池可达到500次以上的充放电循环次数；(6)可以快速充电：通常可以采用0.5~1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1~2小时；(7)可以并联使用；(8)由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是目前最先进的绿色电池。

有关锂离子电池的研究主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面：(1)国内的锂离子电池最高已具有100 Wh/kg的质量比能量和高于2000 W/kg的比功率，国外已有3000 W/kg高比功率锂离子电池用于新能源汽车的报道；(2)锂离子电池的寿命要同时考虑里程寿命和周期寿命；(3)锂离子电池的安全性事故是指锂离子电池使用过程中发生的爆炸或起火事故。

目前，关于锂离子电池材料的研究报道相对较多。锂离子电池的原材料主要包括正负极材料、电解液、隔膜等。其中，正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，同时也是锂离子电池成本占比最高的材料。

在过去的几年里，锂离子电池市场规模的增长主要得益于充电宝、电子烟、智能手机市场的持续增长，而新能源汽车用锂离子电池市场则因为政策初始尚不明朗而受到一定影响。如今，在政策和市场的双重驱动下，新能源汽车行业将迈入商业化大规模推广阶段，这其中，作为核心领域的锂离子电池将直接受益，这将对锂离子电池产业产生较大的推动作用。随着锂离子电池在动力电池领域应用的逐步成熟，其对传统二次电池的替代作用也更加明显，整个锂离子电池的产业规模保持了年均30%以上的增长速度。据预测，2014~2015年中国新能源汽车用锂离子电池的需求规模将达到23336 MWh。即使按照新能源汽车推广70%的成功率计算，锂离子电池的需求规模也能达到16737 MWh。专家认为，中国新能源汽车用锂离子电池未来两年的总量将占小型锂离子电池市场50%的水平。

新能源汽车爆发式增长，促进锂离子电池行业的快速发展。以特斯拉新能源汽车为例，2013年，特斯拉Model S全球销量为2.23万辆，其中30%的用户选择入门级的60 kWh电池，70%配置80 kWh电池，由此推算，2013年Tesla消耗锂离子电池总量达到165万kWh，由此推算出，特斯拉2013年全年消耗锂离子电池数量达到165万kWh，远远超过其他新能源汽车对于锂离子电池的需求。若2014年特斯拉Model S实现超过3.5万辆的出货量目标，以及特斯拉第三代Model X上市，仅特斯拉一家公司锂离子电池的需求量已超过259万kWh，锂离子电池行业将实现爆发式增长。

我国新能源汽车用动力锂离子电池的能量密度和功率密度与德国、法国等先进国家的产品水平相当，但在循环寿命(常规条件)上还有差距；混合动力汽车用高功率锂离子蓄电池的综合性能取得了长足的进步，缩小了与国外先进水平的差距，已初步满足实用化要求。

3 新能源汽车用燃料电池

虽然燃料电池价格非常昂贵且氢能使用并非新能源汽车所必需，但其实践应用仍得到人们广泛的重视。这是因为氢燃料电池在将氢和氧转换为低压、直流电时可达55%～60%高效能，是内燃机效率的三倍。而且，燃料电池车具备环保、续航能力强、加注燃料快等优点，能够解决当前锂离子电池新能源汽车存在的三大问题(间接污染、续航能力普遍不足、充电时间长)，是未来新能源汽车的重要发展方向。

研究表明，燃料电池可发挥85%的潜在效率，甚至更高。燃料电池中的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作温度在50～80℃，能够按照汽车运行电量的需求变化调整电量的输出。PEMFC因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能，具有能量转换效率高、无污染、启动速度快、电池寿命长、比功率和比能量高及耐久性强的优势，成为应用最广的一类燃料电池，尤其是在汽车用燃料方面，PEMFC的应用接近该市场的100%。据统计，燃料电池2013年市场价值达456亿美元，其中汽车燃料电池市场已经达到100亿美元。

世界上已有100多家燃料电池生产商，除此之外，还有许多的汽车和石油公司积极参与该领域的研发、生产工作。全球燃料电池产业规模持续扩大，其中质子交换膜燃料电池应用最广。燃料电池生产主要集中在欧美日等发达国家和地区，目前，全球燃料电池市场仍然由北美主导，该地区燃料电池的研发与生产最为活跃，其次是欧洲和日本。我国和韩国近年来对燃料电池的发展也投入了巨大的热情。从燃料电池应用和消费的角度来看，日本最为积极，其燃料电池的消费量大于生产量，而欧洲的生产量与消费量基本持平。

燃料电池汽车以氢气为能源，利用电解水的逆反向原理，通过氢和氧结合反应生成的电为动力驱动行驶。目前，丰田、本田、通用在燃料电池车研发上处于领先位置。燃料电池采用可再生的能源——氢，与传统的汽油燃料相比，具有环保、不会枯竭等好处。为此，有人将其上升为“氢经济”的高度，认为这最终会取代现在的“石油经济”。

不过，从目前的实际情况看，氢燃料电池车距大规模商业化还存在差距，这是因为发展氢燃料电池汽车还存在如下问题：(1)由于燃料电池主要使用氢燃料，但氢不是自由能源，转化技术目前还不成熟，另外氢燃料电池工作所需的催化剂铂(Pt)是稀有金属，成本极高。这些客观因素导致目前氢燃料电池汽车的发展难度较大。(2)氢燃料电池制造成本高。目前，氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场所难以承受的。(3)低温启动困难，由于氢燃料电池反应生产水，水在0℃以下就会结冰，使其在低温下难以工作。不过，最近本田已经研究出可以在－20℃启动的燃料电池车。(4)连续行使距离短。由于氢气储存困难，连续行使里程只是汽油车的1/2。(5)质量和体积给车辆布置带来困难。以本田FCX为例，仅其所用的氢气瓶容量就有157升，是传统油箱体积的3倍。(6)加氢设施建设难度大。

日本在氢能源液氢和高压气态氢储存方面的技术相对成熟，日系汽车公司也在2014~2015年有多项氢燃料车的推出计划。丰田汽车计划2014年年底在日本率先推出四人座燃料电池车，最初产量为每月数十辆，售价预计为700万日元(折合人民币约42.7万元)，一次加注仅需3分钟，续航能力在500~700公里。本田汽车也加大了对燃料电池技术的研发，预计将在2015年推出五人座燃料电池汽车，售价预计为1000万日元(折合人民币约61万元)。

2014年9月15日，国内首台取得销售许可的燃料电池汽车亮相大连新能源汽车展。该车由大连新源动力提供动力支持，最高时速可达150公里，续航里程达500公里；而特斯拉Model S最高时速和续航里程分别为210公里/小时和483公里。但是，该款燃料车每百公里耗氢费用约50元，能耗费用并不见优势。特斯拉Model S行驶同等距离的成本仅为9元，而目前使用最广泛的燃油车每百公里耗油费用也仅为50~60元左右。业内专家表示，国内氢燃料电池车的真正发展仍需时日。目前除加强汽车性能提升外，氢气的储存仍是一大难点。与电动车的电能不同的是，氢气易燃易爆，尤其压缩后对环境的要求较为严格，国内外不乏氢气爆炸的案例。而使其能长久而安全的应用于汽车内，并频繁进行注入氢气的动作，对储氢技术的要求较高。此外，加氢站的推广亦是制约国内燃料电池汽车的重要因素。目前国内加氢站仅3座，建设地在北京和上海，并且都只是示范工程，与国外的氢高速公路(一条具多座加氢站的公路)相比差距较大。

4 新能源汽车电池发展的关键

专家认为，技术仍然是新能源汽车电池发展的关键。目前制约中国新能源汽车发展的主要技术瓶颈即是电池容量难突破，导致续驶里程短，进而无法达到替代传统燃油汽车的水平，而且这也是世界性难题。日本近期已集合多所大学及企业进行高比能量电池的研究，目标为2015年达到300 Wh/kg(可支持电池车行驶 300公里)，2030年达到 500 Wh/kg(可替代传统燃油汽车的水平)。同时，日本等地广建氢气站，推动燃料电池车普及。目前我国的磷酸铁锂离子电池的能量密度可以做到100 Wh/kg，支持行驶100公里。同时我国部分电池企业正进行下一代电池的研发，采用三元材料与改性锰酸锂等，其比能量最高可达180 Wh/kg，可支持最高200公里，预计两年内实现产业化。

总之，新能源汽车电池属于高投入的产业，目前国内新能源汽车市场刚进入商业化运作阶段，各商业模式还未盈利，研发主要还是集中于商业应用较广的磷酸铁锂电池，对于密度更高的动力电池研发，还需要给予更多的关注。 同时，由于我国分散研发比较明显，因此急需政府的牵头与推动，来促进新能源汽车电池的健康发展。