浅析动力电池系统国内外发展趋势

　　常见的动力电池

　　目前在车用动力源方面，主要有四种技术路线：锂离子电池、氢燃料电池、超级电容和铝空气电池。其中锂离子电池、超级电容和氢燃料电池得到广泛的应用，而铝空气电池尚处于实验室研究阶段。能源补给方面，锂离子电池、超级电容适用于纯电动汽车，但是需要外部充电，而氢燃料电池汽车则需要外部氢气加注，铝空气电池则需要补充铝板和电解液。就目前来看，锂离子电池在未来相当长的一段时间内还是要占据主要发展空间的。

　　

　　国外动力电池产业发展现状

　　当前，日本在锂离子电池领域居技术领先地位，已制订至2030年发展规划，系统地安排研发课题，以维持长期的领先地位，松下、NEC、索尼等著名公司都建有大规模锂离子电池生产线。韩国LG化学供应的锂电池已驱动超过30万辆电动汽车上路，三星SDI也已成为全球主要的动力电池供应商，提供电池给宝马、菲亚特、法拉利等。

　　几年前奥巴马政府曾通过经济刺激方案，将20亿美元专门用于支持美国车用锂离子电池产业的发展，特斯拉汽车与松下联手正在内华达州兴建投资20亿美元的超级锂离子电池工厂。

　　美国制定了动力蓄电池研发路线，包括由金属锂、硅合金等材料作为负极，高电压材料、空气、硫作为正极的新体系结构动力电池，以及非锂体系动力电池等。

　　随着中国新能源汽车产业的快速发展，越来越多的国外动力电池企业在中国投资建厂。三星SDI、LG化学已经分别在中国西安和南京合资建厂投产，松下大连工厂正在建设中，博世和SK也筹划在中国建设动力电池工厂。

　　

　　国内动力电池产业发展现状

　　我国的锂离子电池研究项目一直是“863”的重点项目，经过二十多年的持续支持，大部分材料实现了国产化，由追赶期开始向同步发展期过渡，本土总产能居世界第一，支撑了我国新能源汽车的示范推广。

　　（1）正极采用磷酸铁锂材料，负极采用石墨材料，研发的50Ah能量型电池，能量密度达到136.6Wh/kg，功率密度达到1101W/kg；研发的20Ah能量功率兼顾型电池，能量密度达到106.5h/kg，功率密度达到1119W/kg。

　　（2）正极采用尖晶石锰酸锂、镍钴锰三元混合材料，负极采用人造石墨材料，研发的25Ah软包装能量型电池，能量密度达到162Wh/kg；研发的35Ah能量功率兼顾型电池，能量密度达到135Wh/kg。

　　（3）正极采用镍钴锰三元材料，负极采用天然石墨/人造石墨/中间相碳微球等材料，开发的10、15、20、28、30、45Ah的动力电池，能量密度达到180Wh/kg；开发的2.6Ah18650圆柱形电池，能量密度达到200Wh/kg。

　　在系统集成技术及能力方面取得较大进展和突破。采用磷酸铁锂材料的动力电池系统的能量密度达到90Wh/kg，采用三元材料（18650圆柱形动力电池）的动力电池系统的能量密度达到110Wh/kg。

　　在前瞻性技术研究方面，中科院先导计划支持相关研究所研制出能量密度超过300Wh/kg的锂离子电池样品和能量密度超过500Wh/kg的锂硫电池样品，但循环寿命及安全性等性能指标还需进一步提升。

　　目前，我国已形成了包括关键原材料（正极、负极、隔膜、电解液等）、动力电池、系统集成、示范应用、回收利用、生产装备、基础研发等在内的完善的锂离子动力电池产业链体系，掌握了动力电池的配方设计、结构设计和制造工艺技术，生产线逐步从半自动中试向全自动大规模制造技术过渡。

　　在产业布局方面，中国形成了珠江三角洲、长江三角洲、中原地区和京津冀区域为主的四大动力电池产业化聚集区域。据统计，目前有近100家动力电池企业开展动力电池的研发及产业化工作，有近1000亿元产业资金投入，形成近40GWh年产能，技术研发、产业化进展显著，有力地支撑了新能源汽车产业的快速发展。

　　

　　

　　

　　动力电池系统国内外发展趋势

　　在目前的发展阶段，动力锂离子电池还处于多种材料共存的局面。其中，磷酸铁锂系电池具有高性能、高安全性、低成本等特点，中国、韩国、欧美等国多以此体系为主，是目前的热点和主流；纯的锰酸锂电池存在高温工作时不稳定，容量易衰减的缺点，但通过对纯的锰酸锂进行改性，开发出了高性能的三元材料，解决了锰酸锂体系存在的问题，日本及部分欧美国家目前选择三元材料体系作为电动汽车主要的动力电池；由日本东芝公司和美国Altairnano公司开发的以钛酸锂代替传统的石墨负极材料的锂离子电池，具有高功率、安全性好、循环寿命长、适用温度范围宽的优点，成为电动汽车动力电池另一个可能的选择。

　　综合国内外权威机构发布信息，动力电池过渡期的持续时间约为5-10年。目前国内外相关权威机构均表示动力电池性能将在2015年前取得较大进步，并在2020年具有很强的竞争力。预计到2015年，在同样成本和重量情况下，电池续航里程有望提高约一倍，达到约300公里。美国能源部长朱棣文2012年1月在底特律经济俱乐部发表的最新演讲指出，在2015年之前，电池成本有望比2008年下降70%，约为1500元/kWh；到2020年有望降低到700元/kWh以下。日本NEDO研究所、日产公司等权威机构和企业以及我国《节能与能源汽车产业发展规划》征求意见稿）与863计划也提出了类似目标。

　　动力电池成本的问题除了通过降低电池制造成本外，还可通过所谓的电池梯级利用以及废旧电池回收再利用的方式来解决。动力电池梯级利用目前仅停留在概念阶段，对于电动汽车用过的旧电池能否继续用在其它场合、用在其他场合的效果如何以及怎样才能找到最佳的使用方式，目前还没有科学依据的支持。但已经存在的一些事实还是给梯级利用这种方式留下了许多待回答的难题，例如：新电池尚且存在一致性的问题，旧电池的一致性分化规律又会如何；旧电池和新电池的寿命衰减曲线的差异问题；旧电池在其他场合使用前重新检测的标准特别是安全标准的问题；在同一场合使用新电池或旧电池的综合成本评估的问题，等等。废旧电池回收再利用是降低电池使用成本的一个有效的方式，由于动力电池目前还没有进入大规模市场应用阶段，这项技术还没有引起足够的重视。

　　动力电池的充电网络是电动汽车应用的一项基础设施，可采用的技术路线是充、换电的方式，这两种方式基本上已覆盖了动力电池对充电的需求。充电的方式寄希望于能以最快的时间完成对电池的充电，但必须以不显著损伤电池的寿命为前提；换电的方式则可以慢充的方式进行。在当前电池技术条件下，越快速的充电越不利于电池寿命，快充技术可行性较差，而快换技术是提供快速电能补给的可行方案。

　　

　　未来车用动力电池发展趋势

　　2020年，技术提升阶段。新型锂离子电池实现产业化，能量型锂离子电池单体比能量达到350Wh/kg，能量功率兼顾型动力电池单体比能量达到200Wh/kg。动力电池实现智能化制造，产品性能、质量大幅度提升，成本显著降低，纯电动汽车的经济性与传统汽油车基本相当，插电式混合动力汽车步入普及应用阶段。

　　2025年，产业发展阶段。新型动力电池技术取得显著进展。动力电池产业发展与国际先进水平接轨，形成2～3家具有较强国际竞争力的大型动力电池公司，国际市场占有率达到30%。固态电池、锂硫电池、金属空气电池等新体系电池技术不断取得突破，比能量达到400Wh/kg以上。

　　2030年，产业成熟阶段。新体系电池实现实用化，电池单体比能量达到500Wh/kg以上，成本进一步下降；动力电池技术及产业发展处于国际领先水平。

　　未来相当一段时期内，我国节能与新能源汽车将以普及应用插电式混合动力汽车、纯电动企业等新能源汽车为主要任务，迫切期待动力电池降低成本、提高性能。研发新型锂离子电池和新体系电池、提升动力电池智能制造水平、完善验证测试方法和标准体系，既是我国节能与新能源汽车的发展需求，也是我国动力电池发展的关键任务，具有紧迫性。