锂离子动力电池技术.docx

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锂离子动力电池技术

目前混合动力汽车的运用水平及核心关键技术

摘要

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

新能源汽车包括有：

混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池汽车（FCEV）、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等等。

　　中国新能源汽车产业始于21世纪初。

2001年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。

“十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化。

　　2006-2007年，我国新能源汽车产业的发展取得了重大的进展，我国自主研制的纯电动、混合动力和燃料电池三类新能源汽车整车产品相继问世；混合动力和纯电动客车实现了规模示范；纯电动汽车实现批量出口；燃料电池轿车研发进入世界先进行列。

2007年12月，长安汽车自主开发的中国首款混合动力汽车——杰勋HEV的量产下线。

　　2008年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势。

2008年或将成为我国“新能源汽车元年”。

2008年1-6月，我国新能源汽车累计销量366辆，同比劲增107.95%。

仅仅在2008年6月一个月内就完成100辆的销售。

2008年1-12月新能源汽车的销量增长主要是乘用车的增长，1-12月新能源乘用车销售899台，同比增长117%，而商用车的新能源车共销售1536台，1-12月同比下滑17%。

如果新能源汽车得到快速发展，以2020年中国汽车保有量1.4亿计算，可以节约石油3229万吨，替代石油3110万吨，节约和替代石油共6339万吨，相当于将汽车用油需求削减22.7%。

2020年以前节约和替代石油主要依靠发展先进柴油车、混合动力汽车等实现。

到2030年，新能源汽车的发展将节约石油7306万吨、替代石油9100万吨，节约和替代石油共16406万吨，相当于将汽车石油需求削减41%。

届时，生物燃料、燃料电池在汽车石油替代中发挥重要的作用。

　　结合中国的能源资源状况和国际汽车技术的发展趋势，预计到2025年后，我国普通汽油车占乘用车的保有量将仅占50%左右，而先进柴油车、燃气汽车、生物燃料汽车等新能源汽车将迅猛发展。

　　普华永道会计师事务所日前表示，由于价格太贵和使用不便，即使在环保理念领先的欧洲，电动汽车、混合动力车等新能源汽车的市场份额到2020年也仅能达到10％至15％左右。

　　在同样鼓励发展新能源汽车的美国，也出现了类似的困境。

早在1990年，加利福尼亚州就通过法律，要求从1996年起，实现油电混合动力车等新能源汽车的销售量每年增长2％，以逐步减小对化石类燃油的依赖。

但十多年过去了，新能源汽车在加州的普及率远没有达到预期目标。

新能源汽车普及的因素主要有：

在同档次的汽车中，新能源汽车的价格比普通汽车的价格要高出数千美元，甚至上万美元；由于市场对新能源汽车的需求并不高，所以投入市场的车型和数量太少；新能源汽车虽然省油，但几年后就需要更换电池组，价钱高达数千美元，这笔开支抵消掉了省下的汽油钱；充电站等配套基础设施太少，因担心无处充电，许多消费者不敢购置新能源汽车。

尽管新能源汽车目前离中国百姓似乎还有些遥远，但作为未来汽车产业的战略布局，中国政府已将发展电动车等新能源汽车定为未来的发展方向。

不可否认，中国新能源汽车正从产业导入期迈向快速发展期。

到二0一二年，中国财政部将向新能源车的推广使用投入二百亿元，重点在于充电电站的建设和电网改造，普通消费者购买时的财政补贴和税费减免，以及相关企业的税费减免。

　　国务院发展研究中心有关负责人指出，目前中国还不是汽车强国，虽然中国沿着传统的技术路线追赶并付出了艰辛努力，但差距仍然很大。

所幸的是新能源汽车产业革命已悄然兴起，新能源汽车技术的发展将是实现中国汽车工业“超越”式发展的最佳机会。

业内专家认为，中国的新能源汽车将在未来占据重要地位。

和国际上最先进的电动车技术相比，中国的差距并不是很大，大家的起点都差不多。

而中国在市场、政府扶持的力度方面又有较大优势。

预计到二0一二年新能源汽车产业的产值将有望达到五千亿元，前景诱人。

　　为了积极配合国家支持新能源产业发展政策，同时作为国家节能与新能源汽车示范运行“十城千辆”工程的首批启动城市之一，重庆市政府日前正式通过重庆节能与新能源汽车示范运行实施方案，到二0一一年将在重庆推广一千余辆长安新能源汽车，并将在中国国内地方政府中首开先河针对新能源汽车私人用户提供购车补贴。

　　作为中国国内汽车业的“四大金刚”之一，新能源一直是长安汽车着重发力的板块。

到目前为止，它已拥有各类专利八十余项，不仅掌握了弱混和中混的核心技术并具备产业化能力，且突破了重度混合关键核心技术，建成了中国国内自主研发的第一条用于制造混合动力的生产线。

日前在重庆车展上市的新能源汽车长安杰勋混合动力轿车成为中国自主品牌首款向个人销售的车型。

据透露，未来三年内长安新能源汽车研发及产业化预计投资十亿元，长安汽车将在二0一四年实现十五万辆新能源汽车的产销计划，并有望成为中国新能源领域的领先者。

　　目前，中国已制定了到二0一二年新生产汽车中将有一成是节能与新能源汽车的目标。

为了这个目标的迅速实现，中国汽车业早就闻风而动。

不难想见，一场没有硝烟的汽车市场争夺战将在业内激烈打响。

智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、计算机技术及智能车辆技术等综合运用于整个交通运输体系，借助各种高新技术的高效集成应用，为各种交通运输方式的有效协同、提高交通基础设施利用效率、提高综合运输效率和安全性、实现交通运输服务和管理智能化，提供了有效的支撑。

随着中国交通运输业的快速发展，智能交通技术的普及应用越来越受到社会各界的广泛重视。

节能与新能源汽车主要包括天然气、生物质燃料、煤基燃料等代用燃料汽车，使用汽柴油或代用燃料同时增加电驱动系统的混合动力汽车，由动力电池作为蓄能装置、由电机驱动的纯电动汽车等。

节能与新能源汽车具有燃料效率利用率高、低排放或零排放等特点，发展和应用节能与新能源汽车，已成为政府和汽车行业的共识，也是促进汽车工业可持续发展的重要途径。

目前，我国在能源、环境、运输安全等方面都面临着严峻地挑战。

能源需求和供给的矛盾、经济发展与环境保护的矛盾、交通运输增长与交通基础设施建设、交通运输安全的矛盾日益突出。

特别在当前金融危机形势下，运用智能交通技术提高运输效率和安全性，推动智能交通和新能源汽车产业快速发展，促进经济平稳较快增长，是我们面临的艰巨任务。

综上可知，在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。

电池分类和技术

电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三个要求上。

要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。

氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。

但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。

铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成本得到大幅度降低，也有厂家采用。

锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。

中国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。

电动汽车用电池的主要性能指标是比能量（E）、能量密度（Ed）、比功率（P）、循环寿命（L）和成本（C）等。

要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。

　　到目前为止，电动汽车用电池经过了3代的发展，已取得了突破性的进展。

第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池（VRLA），由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。

第2代是碱性电池，主要有镍镉（NJ-Cd）、镍氢（Ni-MH）、钠硫（Na/S）、锂离子（Li-ion）和锌空气（Zn/Air）等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。

第3代是以燃料电池为主的电池。

燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破　　

可行性探讨

　动力电池作为电动汽车的能量来源，是电动汽车产业链的核心，其作用相当于传统汽车的“汽油”。

电池材料的电化学特性决定了电池的基本性能，如容量、功率和安全性，是电动汽车能否快速发展的关键因素。

动力电池可分为铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。

　　我国汽车用动力电池已开始由研发进入到产业化阶段，并出现了加快发展的势头。

电动汽车动力电池研发产品的主要性能已居国际先进水平，但需要解决一些薄弱环节。

目前国产车用动力电池已显示出了较明显的成本优势，部分企业能量型动力电池成本仅是日、美企业的一半左右，这就意味着，我国电动汽车的商业化有条件加速推进，并以成本优势实现大规模出口。

　　全球动力电池产业目前面临技术制约和成本制约，只有当动力电池性能得到改善、成本大幅降低、规模化应用之后，才能带动其他较为成熟的环节的大力发展。

因此动力电池是电动汽车产业链中最具投资价值的环节，最有可能获得超额收益，其他如电机和电控系统环节有较为成熟技术和市场基础，竞争者众多，可能只能获得平均收益。

　　中投顾问发布的《中国电动汽车电池市场调研报告2011》从产业基础、成本优势、技术研发、市场需求、产业化进程、细分市场等多方面多角度阐述了电动汽车电池的市场状况，并在此基础上对电动汽车电池市场的未来走势和发展前景进行客观分析和预测。

国内外技术发展现状与趋势

目前锂离子电池已经广泛应用于手机、笔记本电脑等领域，并有着不俗的表现，但是如何将锂离子电池应用于动力领域还面临诸多问题。

如何把锂离子电池容量和体积做大的同时又能够使电池电化学性能和安全性能得到保障，一直是制约动力锂离子电池发展的瓶颈，同时一直制约着电动车工业发展。

由于锂离子电池能量密度高，在过充电、短路、热冲击等状态下，电池容易发生燃烧或爆炸，造成较大的伤害。

动力型锂离子电池诸如此类的问题一直是人们关注的焦点和国内外研究的热点。

目前动力电池产品普遍面临的问题主要有以下几个方面：

（1）电池安全性得不到保障。

目前中小容量锂离子电池的产业化已经非常成功。

但是由于大容量高功率锂离子动力电池的安全性问题得不到有效解决，一直制约着其产业化的发展，因为电池容量愈大，其一旦失控所造成的危害就愈大。

所以如何解决锂离子动力电池的安全性问题已经成为困扰其产业化发展的根本性问题。

（2）电池容量有限，未能实现突破。

续驶里程短是困扰动力电池在电动车上广泛应用的一大难题。

目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100～300km，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有50～100km。

比起传统燃油汽车而言电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点。

要解决电动汽车的续驶里程必须从根本上解决其动力源—电池容量问题。

能否有效提高蓄电池容量已经成为其在电动车领域能否获得广泛应用的制约因素。

（3）电池循环寿命短。

普通蓄电池充放电次数仅为300～400次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700～900次，按每年充放电200次计算，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。

另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足，例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速动力差且寿命短。

镍镉电池加速动力足、寿命较长。

但其成本高、可回收性差。

钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程。

但它要求的工作环境较苛刻。

且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。

就整体来看。

成熟电池的寿命都相对较短。

为此开发新型动力电池成为了促进电动车发展的关键。

（4）电池质量和尺寸制约。

现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。

如果电动汽车自身装备质量大，就会影响加速性能和最大车速的提高。

例如，现有电动汽车电池的外体积一般要达到550L。

当把这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间。

为此开发单位体积容量大的电池就成为了当务之急。

（5）电池价格昂贵。

主要是电池技术复杂，成本太高；另外也由于采用一系列新材料、新技术，增加了电动汽车的制造成本，同时也使动力电池的应用受到了极大的限制。

电动汽车蓄电池的价格约为100美元/kwh，甚至有的高达350美元/kwh，成本太高，用户难以承受。

为此制造生产价格相对较低的电池成为了动力电池获得广泛应用的关键性问题。

（6）对环境的污染严重。

目前使用的动力电池主要为铅酸动力电池、镍氢电池、镍镉电池。

铅酸电池中的铅，镍镉电池中的镉从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染。

另外在其废弃后若处理不当，仍将对环境造成二次污染。

所以开发从正极材料的制备到电池的生产、使用以及废弃后对环境无污染的正极材料动力电池已经势在必行。

因而，如何解决动力电池安全性问题、容量问题、寿命问题、电池尺寸和重量问题、电池的成本问题和环保问题成为动力锂电池商品化的关键。

本项目提出采用高安全性磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料，同时应用于聚合物体系中，一方面利用磷酸铁锂和聚合物电池自身的高安全性来解决电池在各种苛刻条件下工作的安全问题，另一方面利用磷酸铁锂正极材料成本比钴酸锂大为减少，同时具有比容量较大、安全性能好、循环性能优异、环境友好等特点实现对动力电池安全、容量、寿命、重量、成本和环保问题的有效解决。

目前国内外研究的磷酸铁锂动力电池主要是液态锂离子电池。

磷酸铁锂及其液态锂离子电池正逐步进入产业化阶段，国际上仍以美国的Valence、Phostech、A123和日本的Sanyo、Sony等公司为代表，在大力发展以LiFePO4为正极的安全型高容量锂离子电池系列。

以Valence公司为例，近期开发了N-Charge、VLNC2590、U-Charge及K-charge四个系列，其中后二个系列为动力电池，U-Charge为12.8V、40～130Ah电池组，K-charge为25.6～51.2V、48～92Ah电池组，比能量为91.6～101Wh/kg、能量密度在130～145Wh/L，除了优良的安全性外，可在-20℃～60℃放电，及-40℃～60℃储存。

U-Charge电池质量比铅酸电池轻了36％，其一次充电后运行时间是铅酸电池的2倍，循环寿命前者达后者的6～7倍，考虑80％DOD的循环运行费用及购买电池价格，用户使用U-Charge的费用仅为铅酸电池的44％，其市场前景广阔。

国内咸阳威力克能源有限公司，广州市鹏辉电池有限公司，天津力神、东莞ATL、台湾必翔等都成功地开发了一些小型的锂离子动力电池，但是大容量高功率磷酸铁锂动力电池的工艺开发还未成功。

国内还有锂离子动力电池的开发厂家有深圳雷天公司、苏州星恒公司、中信国安盟固利公司等，但是他们普遍以钴酸锂、锰酸锂作为电池的正极材料，所装配的电池的安全性得不到保证，在条件比较苛刻的情况下运行，电池容易起火燃烧甚至爆炸。

如2004年10月由深圳某公司生产的TS-LP8581A（100AH）电池按照14个单体串联一组，48V/100Ah电池组供应给韩国一电动车研发公司，在一次充电时电池组发生燃烧。

东莞市迈科科技有限公司联合天津大学此时介入了大容量高功率锂动力电池的研究开发中正当其时，其充分利用磷酸铁锂正极材料和软包装聚合物锂

项目充分利用磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料和聚合物锂离子电池的优越性，开发新型容量具有40-60Ah高功率聚合物LiFePO4动力电池产品。

利用聚合物电池本身特有的安全性能使大容量高功率聚合物LiFePO4动力电池的安全性得以进一步提高，提升综合电化学性能满足汽车对能源供给的需求。

二十一世纪可谓是“呼唤绿色环保”的时代，不但要求人们注重节约能源，更重要的是要求人们更加注重居住环境和绿色环保，以实现社会的可持续发展。

我国石油资源比较贫乏，并且燃油与尾气排放的污染物是大气污染的主要污染源，不利于环境保护和社会可持续发展。

为此中国发展电动车无疑是未来社会发展的必然要求，也是符合绿色环保革命的需求，更是一种实现社会可持续发展的工具。

本项目提出采用高安全性磷酸铁锂作为正极材料制备聚合物动力电池，将寻求解决困扰科研工作者多年的电池安全性问题，同时也将为全国的汽车工业注入新的活力，提高产品的竞争力，并将有效的避免由于汽车尾气而造成的环境污染问题。

目前电动汽车更加广泛的推广应用最主要的困难在于高性能动力源技术不能够得到有效的解决，现有电池产品难以满足汽车对寿命、动力性能等的要求。

本项目的实施即着眼于这些问题的解决，项目的实施将提供电动汽车动力源供给方案，有效解决目前所面临的技术瓶颈，为电动汽车的广泛应用提供高性能、低成本的动力源，使电动汽车产业发展不再负重前行。

（二）国内外技术发展现状与趋势