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2024年11月24日
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隨著人們對環(huán)境保護(hù)與節(jié)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(guān)注，而兩者發(fā)展的核心及難點(diǎn)就在于動力電池技術(shù)的發(fā)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(diào)查公布了自燃事故的鑒定結(jié)果——電池單體在設(shè)計、制造方面不存在質(zhì)量問題，但電池成組后不能完全滿足車輛使用環(huán)境的要求，在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了電池漏液、絕緣受損以及局部短路的情況，從而引發(fā)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(fēng)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(chǎn)業(yè)鏈的核心之一，其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)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(chǎn)生于19世紀(jì)60年代,，距今已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的動力源，是目前相對比較成熟和應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，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(chǎn)生于上世紀(jì)90年代，相比鉛酸電池，它雖然是動力電池中的新秀，但發(fā)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(dú)到的優(yōu)勢，首先是高比能量(衡量電動車一次充電行駛里程)，據(jù)測試，鎳氫蓄電池的動力量幾乎與鋰離子電池的水平相當(dāng)；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(yù)為21世紀(jì)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(xiàn)，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(dú)特性能，在短短十幾年的時間里，鋰離子電池技術(shù)得到了空前發(fā)展。
鋰離子電池基本解決了蓄電池的兩個技術(shù)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(dāng)前比能量最高的電池，且工作狀態(tài)穩(wěn)定。它的性能指標(biāo)可以滿足USABC制定的電動車中期目標(biāo)。
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)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(fā)生氧化反應(yīng)并輸出電子到外電路。
90 年代以來燃料電池成為各個發(fā)達(dá)國家競相開發(fā)的電動車電池。加拿大、美國、日本、德國等國家處于領(lǐng)先地位, 其中以加拿大的巴德拉公司最為先進(jìn)。
太陽能電池是一種把光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。其能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)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(zhuǎn)換效率不高、價格太高、電池系統(tǒng)配置較復(fù)雜等問題，近期內(nèi)只能作為電動汽車的補(bǔ)充電源，還不能大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)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(yīng)用必將會取得長足的進(jìn)步。
我國動力電池發(fā)展現(xiàn)狀
數(shù)據(jù)顯示，到2012 年，中國將形成50萬輛新能源汽車產(chǎn)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(nèi)汽車動力電池市場規(guī)模可達(dá)到100 億元，相當(dāng)于目前鋰電池市場規(guī)模增長1倍。業(yè)內(nèi)人士預(yù)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(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的黃金時機(jī)。
據(jù)不完全統(tǒng)計，去年我國鉛酸電池銷售總額達(dá)800多億元。這一名不見經(jīng)轉(zhuǎn)的小行業(yè)已把中國發(fā)展成為全球鉛酸蓄電池的生產(chǎn)基地，鉛消耗量每年達(dá)到230多萬噸，已超過美國排在世界前列。鉛酸電池行業(yè)在“十一五”初期約有3000多家企業(yè)，經(jīng)過幾年來的市場洗禮和重組兼并，目前有規(guī)模的企業(yè)不足千家。其中，產(chǎn)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(yè)中，民營企業(yè)占行業(yè)75%以上。
相比其它動力電池，鉛酸蓄電池成本低、推廣技術(shù)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(huán)境污染，能夠提供的功率相對較低。據(jù)工信部測算，2009年電池企業(yè)排放含重金屬廢水總量1200多萬噸，其中鉛蓄電池企業(yè)排放廢水1000多萬噸；產(chǎn)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(fā)展產(chǎn)生了一定影響。
目前，鎳氫動力電池剛剛進(jìn)入成熟期，是混合動力汽車所用電池體系中唯一被實(shí)際驗證并被商業(yè)化、規(guī)模化的電池體系，全球已經(jīng)批量生產(chǎn)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(jīng)在示范運(yùn)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(yùn)用上仍處于研發(fā)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(chǎn)業(yè)化將直接帶動鋰離子電池市場快速增長，再加上傳統(tǒng)的消費(fèi)電子、電動工具和電動自行車以及新能源儲能系統(tǒng)對鋰離子電池需求的日漸擴(kuò)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(guī)模達(dá)到870億元，中國鋰離子電池市場規(guī)模達(dá)到250億元。
近幾年來，我國的汽車鋰電池產(chǎn)業(yè)從無到有，從小到大，產(chǎn)業(yè)起步雖晚于日本，但發(fā)展非常快，在動力鋰離子電池的研發(fā)上也投入了大量財力、物力。我國的汽車鋰離子電池研發(fā)項目一直是國家“863”的重點(diǎn)項目，目前大部分材料實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，國內(nèi)已自建和引進(jìn)多條生產(chǎn)線，配套材料廠也有多個，均已形成大規(guī)模生產(chǎn)。
從技術(shù)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(rèn)為是未來汽車動力電池的發(fā)展方向。但是從產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(nèi)都尚處在研發(fā)階段，大規(guī)模投入使用尚需時日。
三年前，我國的比亞迪、萬向集團(tuán)、深圳比克電池、天津力神電池與美國邁爾斯的合資企業(yè)等都置身于鋰電池的研究。目前，比亞迪已成為國內(nèi)唯一掌握車用磷酸鐵鋰電池組規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)，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(fā)的鋰動力電池。
得天獨(dú)厚的優(yōu)勢
在動力電池研發(fā)上，相比歐美日等發(fā)達(dá)國家，中國在某些方面還比較落后，但在產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和成本上，我們具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，這對加速中國新能源汽車的發(fā)展無疑會起到相當(dāng)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(guān)鍵的因素。
英大證券汽車行業(yè)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(quán)。據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)顯示，全球市場20%的電池來自于中國，在鋰電池生產(chǎn)行業(yè)，中國的產(chǎn)業(yè)規(guī)模比較優(yōu)勢高于日韓等國家。由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，勞動力成本相對較低，中國動力電池的平均生產(chǎn)成本低于行業(yè)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(fā)展鎳氫電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。因此中國鎳氫電池的研制與開發(fā)，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(chǎn)歷史，技術(shù)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(jìn)外，鉛酸電池的應(yīng)用結(jié)構(gòu)也在發(fā)生著變化。哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)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(fù)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(fù)極”，在電池內(nèi)部將兩者并聯(lián)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(fù)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(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，因而比普通鉛酸電池更具優(yōu)越性。
據(jù)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。“它是由制造技術(shù)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(qiáng)混合動力車的要求。”胡信國說。
除了成本優(yōu)勢之外，中國在動力電池上的另一個優(yōu)勢就是市場廣闊。有數(shù)據(jù)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(xiàn)幾何等級的增長。也正因如此，中國汽車工業(yè)協(xié)會的黃志明表示，無論是日本，還是歐美，其國內(nèi)電動汽車的規(guī)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(xiàn)在我們國家一些企業(yè)的動力電池已經(jīng)出口到歐美日等國家，隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信會有更多企業(yè)的產(chǎn)品會出口到歐洲市場，這無疑會大大增加中國電池生產(chǎn)企業(yè)的信心。”清華大學(xué)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(guān)政策的激勵下，國內(nèi)動力電池的制造商們可謂雄心勃勃，紛紛加大了企業(yè)的研發(fā)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(guān)鍵零部件開發(fā)、生產(chǎn)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始將研發(fā)觸角深入到更加細(xì)致的電池隔離膜領(lǐng)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(dá)集團(tuán)旗下的明基材料簽署協(xié)議，成立達(dá)尼特材料科技(蕪湖)有限公司，雙方將合作研發(fā)、生產(chǎn)應(yīng)用于動力鋰電池的隔離膜材料。
前不久，長豐集團(tuán)與美國迪美科技集團(tuán)聯(lián)手打造的豐源迪美汽車電子產(chǎn)業(yè)園在長沙經(jīng)開區(qū)奠基，預(yù)計到2015年，該產(chǎn)業(yè)園將形成年產(chǎn)100萬臺(套)汽車電子產(chǎn)品生產(chǎn)能力，年銷售收入可達(dá)50億元。同時，長豐集團(tuán)還新成立了豐源業(yè)翔晶科新能源股份有限公司，專業(yè)從事鋰電池、超級電容器及動力電源系統(tǒng)的開發(fā)與生產(chǎn)。長豐集團(tuán)總經(jīng)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(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)狀卻不容樂觀。中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會執(zhí)行副會長、中國汽車工程學(xué)會理事長張小虞日前表示，當(dāng)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來對鉛酸電池的需求迅速增長，再加之這個行業(yè)的門檻也比較低，結(jié)果導(dǎo)致整個行業(yè)內(nèi)企業(yè)數(shù)量猛增，但企業(yè)規(guī)模普遍過小，低水平重復(fù)建設(shè)大量存在。
據(jù)中國電池工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，目前我國有2000多家鉛酸蓄電池企業(yè)，有生產(chǎn)許可證的企業(yè)約1800多家，產(chǎn)值在500萬元以上的企業(yè)只有200多家，不到整體數(shù)量的10%，而產(chǎn)值在億元以上的則更少。
今年3月，環(huán)境保護(hù)部對11個重點(diǎn)省份31個重點(diǎn)地市的388家鉛酸蓄電池企業(yè)進(jìn)行督查。督查情況顯示，鉛酸蓄電池行業(yè)中除少數(shù)大型企業(yè)較為規(guī)范外，大多數(shù)中小企業(yè)存在建設(shè)項目違法問題多、污染治理設(shè)施運(yùn)行不正常、危險廢物處理處置不當(dāng)、衛(wèi)生防護(hù)距離不落實(shí)等問題。
中國電器工業(yè)協(xié)會會長楊啟明表示，鉛酸蓄電池企業(yè)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(yè)的持續(xù)發(fā)展，重視鉛污染的防治和再生鉛的加工已經(jīng)成為我國鉛酸蓄電池業(yè)的當(dāng)務(wù)之急；企業(yè)和行業(yè)之間必須加強(qiáng)自律，建立起有效的管理網(wǎng)絡(luò)，以共同促進(jìn)鉛和鉛酸蓄電池市場的健康有序快速發(fā)展。
制約中國動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一瓶頸就是技術(shù)，尤其是核心技術(shù)。張小虞坦言，在電動汽車關(guān)鍵零部件當(dāng)中，動力電池是技術(shù)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(shù)，中國新能源汽車注定將遭遇“天花板。
據(jù)調(diào)查，我國動力電池在核心部件，以及高毛利率的原材料供應(yīng)等方面，仍由外資企業(yè)占據(jù)優(yōu)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(chǎn)業(yè)鏈中盈利能力較強(qiáng)的環(huán)節(jié)之一。
而電解液的主要原料現(xiàn)為關(guān)東電化學(xué)工業(yè)、SUTERAKEMIFA、森田化學(xué)等幾家日本企業(yè)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(chǎn)能高度集中，目前也被國外寡頭壟斷。對于毛利率高達(dá)70%的隔膜，國內(nèi)80%以上的市場已經(jīng)被美、日進(jìn)口產(chǎn)品占領(lǐng)，國產(chǎn)隔膜只是在份額不高的中、低端市場被使用。
在技術(shù)上，我國磷酸鐵鋰發(fā)展本來與國際基本同步，但國內(nèi)尚未誕生真正的領(lǐng)軍企業(yè)，行業(yè)缺乏原始創(chuàng)新技術(shù)。目前，國際上在磷酸鐵鋰電池行業(yè)處于領(lǐng)先地位的企業(yè)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(shù)在國外被看作戰(zhàn)略性技術(shù)，美國、加拿大等政府為此不惜以國家的力量參與技術(shù)壁壘的建立。
在動力電池4大原料中，我國本土企業(yè)目前主要在負(fù)極材料方面具備了成熟的技術(shù)條件和“中國制造”的成本優(yōu)勢，不過，負(fù)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(fā)展鋰電池的限制性環(huán)節(jié)，其整體盈利能力也不強(qiáng)。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(jìn)口。
正因如此，業(yè)內(nèi)人士指出，新能源汽車競爭的核心是技術(shù)，當(dāng)前最迫切的是實(shí)現(xiàn)動力電池技術(shù)的突破。一旦突破了技術(shù)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”！
