新能源汽车的高效储能方式

新能源汽车的高效储能方式

作者：郁思慧

来源：《科学家》2017年第03期

摘要新能源汽车产业是一种战略性新兴产业，在刺激经济发展，促进经济复兴有举足轻重的作用。新能源汽车是一次动力系统的变革，新增了电池、电机、电控“三大电”和电制动、电空调、电转向、电子仪表、制动能回收、监控系统“六小电”等关键零部件和总成，它的发展和形成将带动形成一条崭新的产业链条。

关键词新能源；汽车；储能；高校

中图分类号U2 文献标识码A 文章编号2095—6363（2017）03—0016—01

在当下，纯电动汽车因其能源效率高，来源多样化，使用维修方便等优点在新能源汽车中迅速崛起。其特点在于，采用单一蓄电池作为动力来源，通过电池向电动机提供电能，并用电动机进行驱动。而作为纯电动汽车上的动力设备的蓄电池有很多类型，且各种储能方式都有自己鲜明的特点，没有哪种储能技术能够一统天下。即便如此，锂电池也会占据其中绝大部分的应用市场，是最有发展前途的一种储能技术。

1锂电池的构成材料及优缺点分析

锂离子动力电池的优点在于它具有单体稳定电压高，比能量与能量密度高，使用寿命长，其重量单位储能为铅酸电池的3倍，里聚合物电池为铅酸电池的4倍，锂资源较为丰富，价格也不是很贵，可以说锂离子电池是蓄电池中最被市场看好的动力电池。

它主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解质等部分组成。目前负极材料的研发和生产已比较成熟。正极材料、隔膜和电解质是锂离子电池的核心材料，占据电池成本的70%：其中又以正极的附加值最高，约占锂电池成本的30%。这3种核心材料的技术研究与突破，将对锂离子动力电池的性能提升和电动汽车的商业发展起到重要的推动作用。

目前国内市场上的锂电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂及磷酸铁锂等，主要生产企业有杉杉股份，当升科技等。目前，各企业为了技术革新，积极开展提升比能量、安全性和循环寿命的研究。

其中，钴酸锂电子电池基本上用在3C产品电子领域，出于价格和安全等因素考虑，一般不做动力电池用：而锰酸锂离子电池，三元材料电池和磷酸铁锂离子电池都可以做动力电池用。

通过观察分析这3种离子电池的发展，不难看出，锰酸锂路线近几年发展得风生水起，通过调查得知，全球代表性的电动汽车产品日产聆风、通用沃兰达、丰田锂电版普锐斯等使用的都是锰酸锂系电池。

而以三元材料为正极的动力锂电池叠片式软包装工艺因其电流集流均匀，散热性好，提升了电池倍率功能；采用专利技术处理的隔膜，提高了电池的安全性；特殊的隔膜材料提高了隔膜的保液能力及孔隙率，减小了电池的内阻；且在25安时动力电池的能量密度为160千瓦/千克，比磷酸铁锂电池高30%以上，大大减轻了整部车的重量，提高了电池续航能力；采用多项专制造工艺、粉体的前处理技术，保证了粉体混合和浆料混合的均匀性；特殊的化成工艺，保证了电池成膜的稳定性，从而确定了电池批次间的稳定性，提高了电池的一致性。

并且从未来角度考虑，层状富锂锰基材料的可逆容量有望突破250毫安时/克，在未来动力电池发展中非常有前景。

至于发展磷酸铁锂，则是为改变汽车产业长期落后于其他国家的局面，政府为了在新能源汽车领域实现在“弯道超车”的愿望，在安全第一的前提下，投掷大量资金支持的项目。2008—2009年，国家工业与信息化部先后设立“磷酸铁锂正极材料研发及产业化”与“磷酸铁锂动力电池及系统集成技术研发及产业化”重点专项，面向全国招标，但是虽然政府大力扶持，磷酸铁锂离子电池的发展局面却并不尽如人意，主要原因还是能量密度不高，体现在电池单元的能量密度以及电池组的能量密度上面，在确保安全的前提下，为了在电池组中放入更多的电池单元，则需要减少电池组中对电量存储没有帮助的组件的体积和重量，这也是一些中国企业正在积极进行的技术开发工作。

而负极材料则是唯一实现现代产业化的材料主要有碳类、氧化物类、合金类等，未来主要发展趋势为钛酸锂，但合金负极材料若有所突破，将极大提升产品性能。

锂电材料中对技术要求的高附加值材料当属隔膜，国产隔膜主要集中在低端市场，市场占比约为6%，而80%以上的隔膜需求量是由美日进口完成，且动力锂电隔膜几乎全部由国外供应。隔膜未来的发展趋势：第一，采用新工艺技术及设备技术，提高生产成品率，降低制造成本；第二，采用有机/无机复合技术氧化铝、二氧化硅涂层，提高安全性能；第三，发展高熔点、高性能隔膜。与此同时，锂电子电解液也将发展成高纯度、高稳定性和长寿命电解液以及高安全性电解液、宽液程电解液、高压电解液、全固态电解质及离子液体等。

由此不难看出，锂电子材料的迅猛发展与商机使得锂电池成为了新能源领域大家关注的焦点。

2现当代社会锂电池的发展及展望

根据多方统计，2016年高镍三元电池的研发和生产已呈“燎原之势”。相比磷酸铁锂和低镍三元材料，高镍三元材料由于镍元素比例的提高，在比能量上有更大的优势。高镍型NCA （镍钴铝）、NCM622和NCMS11是三元动力电池最主要的发展方向。

2018年全球锂电正极材料预计将超过30万吨，其中三元材料年均复合增长率达到30%以上。目前车用正极材料主要是LFP，未来NCM和NCA将成为主流，2018年使用量约占80%。

2017年隔膜的市场格局将发生较大变化：中国锂电新能源产业链的发展大致是从下游往上游逐步国产化的。隔膜是电池材料里面还没有大规模国产化的材料，在电池制造成本中占比7%～8%。隔膜的利润水平最高，价格下降的空间也最大。制造隔膜的原材料是聚烯烃类石化产品，随着油价的下跌，原材料还有降价的空间。

2017国际电池会议上，特斯拉电芯供应链及商业发展首席负责人KurtKelty以及三元层状材料电芯研究合作伙伴JeffDahn，更是分享了新型“2170”锂电池的镍钴铝（NCA）三元材料改进等技术细节，届时新一代锂电池的神秘面纱将揭开。据悉，“2170”锂电池用于特斯拉汽车Model3上，可能将全面替代传统的“18650”。

这一举动无异于是掀起了锂电池界的轩然大波。特斯拉CEO马斯克此前表示，这将是全世界最高密度且最便宜的锂离子电池。采用2170电池后，由于同等能量下，所需电池的数量可减少约1/3，整车能量密度将得到提升，而未来有望通过大规模量产使得动力电池成本降低9成。业内认为，2170电池全面替换掉18650电池或许会掀起一场电池研发技术的更新浪潮。随着Model3今年9月前大规模生产，相关NCA三元锂电材料产业链公司将迎来需求爆发。

但是锂电池行业高涨的热度也带来一系列危险的信号。

第一大信号便是产能门槛提高。2016年底工信部发布的《汽车动力电池行业规范条件》将锂离子动力电池单体企业年产能门槛设为“不低于80亿瓦时”。另外，锂电子动力电池补贴也将持续减少，全面市场化。从个人购纯电动车最高补贴12万元，到2016年最高补贴11万元，再到2017年最高补贴6.6万元，直至2020年补贴完全取消，新能源汽车将实现全面市场化。但是原料的价格却是水涨船高，存在中低端产能过剩与高端产品供不应求的现状。其中，正极材料、负极材料和电解液都已逐步自给，由于负极材料和电解液的技术壁垒相对较低，中国企业的成本优势明显在全球范围内拥有较强的竞争力。中高端隔膜材料还高度依赖进口，但是国内企业正逐步实现进口替代，盈利能力较强。

总的来说，不管是下一代锂电池，还是其他二次锂电池，技术开发都处于一个高速发展的状态中。这对新能源汽车的技术开发大有帮助，也会推动新能源汽车的应用和普及，基于此，新能源汽车的时代即将到来。