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正极材料成瓶颈 动力锂电发展“动力不足”

作者:电子信息产业网来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2013-10-29 09:35我要评论

赛迪智库 余雪松

美国电动汽车生产企业特斯拉发布第一季度财报称,公司成立10来年首次实现了季度赢利。但就整体低迷的电动汽车产业而言,特斯拉只是近年来少有的亮丽风景,动力锂电仍是发展电动汽车的最大困扰。那么,动力锂电从提出到实践、再到产业化已超过20年时间,到目前为何还是“动力不足”?其根源在哪里?深入分析这些问题,对于促进我国动力锂电产业以及电动汽车产业快速健康发展具有重要意义。

动力锂电是制约

电动汽车发展的核心因素

电动汽车续航里程已由当初的不到100公里增长至当前主流的300公里。

尽管世界各国都高度重视电动汽车产业,并以税收优惠、购车补贴、贷款支持等政策大力扶持产业发展。然而,消费市场对此却反应冷淡。到目前为止,还没有一个国家的电动汽车保有量能够达到预期目标。以美国为例,2012年,电动汽车销量约5.3万辆,与2011年的1.75万辆相比增速迅猛,但与美国汽车市场高达1449万辆的总销量相比,电动汽车占比还不到0.5%%。2013年电动汽车保有量将突破10万辆,但与2015年100万辆的目标相距还很遥远。消费市场的疲软直接导致了电动汽车产业发展缓慢。影响电动汽车销售的三大重要因素全都与作为动力来源的动力锂电相关。

(一)续航里程短限制了电动汽车的推广范围

随着技术的不断成熟,动力锂电的性能不断提升。以动力锂电作为动力源的电动汽车续航里程已由当初的不到100公里增长至当前主流的300公里左右,个别车型的续航里程突破了400公里。但与当前燃油汽车的主流行驶里程500公里相比还有一定差距。另外,电动汽车续航里程的增加,除技术进步之外,还有一个不可忽视的因素就是动力锂电的数量增加。在延长续航里程的同时,也附加了不菲的代价:一是电动汽车整车重量大幅增重;二是电动汽车成本增加;三是电动汽车安全性降低。

(二)充电速度慢制约了电动汽车的便捷使用

行驶里程短可以通过大范围、密集的充电设施予以解决,但动力锂电充电较慢是电动汽车发展更大的制约。在正常速度下,电动汽车的动力锂电完全充满需要4~8小时。如果加快速度,可以在1~2小时内充满,但会影响动力锂电的性能及寿命。有实验证明,如果一直采用快速充电,动力锂电的寿命会骤减至原来的1/3,且电池性能会显著下滑,安全事故发生概率也将大大增加。燃油汽车则不存在这些问题,加油时间不超过5分钟,安全性和稳定性都能得到保证。

(三)安全事故频发极大影响了消费者的购买热情

自锂离子电池诞生以来,安全问题就一直困扰消费者。从手机、笔记本,到如今的电动汽车,安全事故不断发生。自 2010年以来,电动汽车因动力锂电造成的起火事件时有发生。除了日产和特斯拉的电动汽车还未有起火报道外,中国的众泰和比亚迪、美国的通用和菲斯克的电动汽车均有自燃或起火事件发生。仅美国菲斯克汽车公司因动力锂电缺陷召回的汽车就超过2500辆。安全事故频频发生,极大影响了消费者对购买电动汽车的热情,也成为影响以锂电为动力的电动汽车市场发展的最大阻碍。在动力锂电安全问题未能得到妥善解决的前提下,电动汽车想要大规模普及无疑是相当困难的。而且,如何保证各厂家动力锂电的型号一致、性能一致且不存在安全隐患,也是我国发展电动汽车的关键所在。

此外,动力锂电价格过高已成为制约电动汽车市场发展的重要因素之一。与同类型、同档次的燃油动力汽车相比,电动汽车的价格一般是燃油汽车的两倍以上。

正极材料性能不足

致电动汽车“动力不足”

对于只有几个或者几十个单体锂离子电池的成组,电池管理技术已经较为成熟。

为了应对能源危机、推动电动汽车发展,世界各国纷纷投入大量资金用于动力锂电的研发和产业化。2009年以来美国能源部投入超过20亿美元支持以锂离子电池为主的先进动力电池研发和产业化。日本在2011年前已投入超过400亿日元用于先进电池技术研究。我国的“863”计划也有电动汽车重大专项,投入资金超过10亿元。这仅仅是政府研发投入,还不包括企业的研发投入和产业投资。投入不可谓不大,但动力锂电的发展却不尽如人意。直到2012年年底,动力锂电占整个锂离子电池市场份额尚不足3%%,远远低于预期。影响动力锂电发展“动力不足”的因素不少,但目前主要体现在以下3方面:

(一)正极材料成为动力锂电发展瓶颈

根据美国先进蓄电池协会(USABC)2005年公布的电动汽车动力电池性能指标,比能量要达到200Wh/kg,比功率要达到400W/kg,循环寿命要超过1000次,价格低于100美元/kWh。而当前动力锂电的比功率已经超过400W/kg,循环寿命也基本超过1000次,但比能量在180Wh/kg以下,价格还在300美元/kWh以上。影响动力电池关键指标无法达到要求的关键在于正极材料。一是当前几种常用的正极材料钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料的实际比能量均低于180Wh/kg。二是正极材料的价格较高,在锂离子电池的成本构成中,正极材料占比高达30%%~40%%,这也使得动力锂电的价格居高不下。三是正极材料本身特性决定了锂离子电池充电时间不能过快,否则就容易造成正极材料结构发生变化,进而导致电池性能急剧下滑。

(二)电池管理技术有待进一步提高

单体锂离子电池的容量都不大,不能满足动力需求,往往将多个单体锂离子电池通过串并联方式成组,这就涉及到电池管理技术。经过多年的发展,对于只有几个或者几十个单体锂离子电池的成组,电池管理技术已经较为成熟。然而电动汽车用动力锂电通常单体电池数量超过1000个,比如特斯拉汽车的锂离子动力电池采用的单体电池数量超过了6000个。如此庞大的数量给电池管理技术带来了极大的挑战,也给动力电池组安全乃至电动汽车安全埋下隐患。

(三)产品安全存在结构性缺陷

就当下占据主流的锂离子电池而言,其结构主要包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液。电解液的主要成分为有机溶剂和电解质(锂盐),其中现阶段广泛应用的有机溶剂为碳酸酯系列(包括环状碳酸酯如EC、PC和链状碳酸酯如DMC、MC),而这些都属于易燃物。在锂离子电池受到剧烈冲击或者电池温度过高时,电解液极易燃烧,很可能造成电池起火以及更为严重的安全事故。

另外,在锂离子电池生产过程中,尽管自动化程度较高,但人工处理环节仍然不少,这一点在我国锂离子电池生产企业中更为显著。这些人工环节虽然不会给单体锂离子电池带来安全隐患,但在一定程度上会造成单体锂离子电池出现不一致,从而给电池管理带来不确定性,增加电池管理难度,成为动力锂电的安全隐患。


责任编辑:张汝娟
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