一、我國新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

 

能源瓶頸和環(huán)境污染已成為全球性問題，交通污染已成為中國城市PM2.5等顆粒污染物的來源之一，霧霾天氣頻頻發(fā)生，控車治霾的思路被廣泛提及。相比限購、限行等限制性行政政策而言，大力推廣和發(fā)展低排放的新能源汽車，包括純電動汽車(EV)、插電式混合動力汽車(PHEV)、燃料電池汽車等，是有效治理污染的重要途徑之一，這一觀點(diǎn)已成為國際共識。

 

發(fā)達(dá)國家如美國、日本等紛紛制定了國家計(jì)劃來推進(jìn)傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的升級。美國出臺了一系列新能源計(jì)劃，將大力發(fā)展電動汽車作為實(shí)施新能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。2012年美國啟動電動汽車國家創(chuàng)新計(jì)劃《EV Everywhere》，加大對高性能鋰離子電池材料、插電式車輛技術(shù)、輕量化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的支持。日本一直將發(fā)展清潔能源、可再生能源作為國家戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，國家政策對新能源汽車發(fā)展始終給予大力支持，計(jì)劃到2020年普及以電動汽車為主體的下一代汽車。目前日本混合動力電動汽車全球銷量第1，其產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)純電驅(qū)動電動汽車的進(jìn)程也是全球最快的。

 

近年來，我國政府采取了一系列措施推廣新能源汽車，一方面中央和地方政府相繼出臺了各種新能源汽車補(bǔ)貼政策鼓勵消費(fèi)者購買電動汽車;另一方面通過制定未來我國汽車燃耗目標(biāo)倒逼整車企業(yè)發(fā)展電動汽車，如圖1所示。 除了政策指導(dǎo)，我國政府還利用各種機(jī)會積極推廣新能源汽車的使用。繼奧運(yùn)會和世博會2大盛會之后，近年舉辦的全國兩會、中博會、達(dá)沃斯論壇、博鰲論壇等都有新能源汽車示范運(yùn)行。國內(nèi)車企也紛紛涉足新能源汽車的研發(fā)、生產(chǎn)、示范運(yùn)行及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。比亞迪股份有限公司、奇瑞汽車有限公司、東風(fēng)汽車公司、長安汽車股份有限公司、上海汽車集團(tuán)股份有限公司、中國第一汽車集團(tuán)公司、宇通集團(tuán)、中通客車控股股份有限公司(簡稱“中通客車”)和重慶恒通客車有限公司等目前已經(jīng)成功研發(fā)多款轎車及客車等。

 

 

圖1 未來中國汽車平均能耗目標(biāo)

 

在政府一系列利好政策的引導(dǎo)下，我國新能源汽車研發(fā)呈現(xiàn)較好的發(fā)展局面，各汽車廠商也積極推廣新能源汽車，并取得了較好成績。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，2015年1—7月，新能源汽車生產(chǎn)95 530輛，銷售89 549輛，同比分別增長2.5倍和2.6倍。7月，新能源汽車銷售更是取得了同比增長3.3倍的佳績。新能源電動汽車市場在不斷升溫，動力電池也進(jìn)入高速發(fā)展期，據(jù)統(tǒng)計(jì)，今年上半年動力電池產(chǎn)量達(dá)到2.72GWh，較去年上半年的0.94GWh增長近2倍。

 

二、 新能源汽車對動力電池的應(yīng)用需求

 

動力電池是各種電動車輛的能量載體和動力來源，動力電池的性能直接決定了車輛的性能。新能源汽車用動力電池包含：鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、超級電容、燃料電池等。為了滿足新能源汽車等技術(shù)的應(yīng)用要求，動力電池需要具有高安全性、高能量密度、高功率性能、優(yōu)異的循環(huán)壽命、工作溫度范圍廣和低成本等特性。新能源汽車包含混合電動汽車 (HEV) 、燃料電池混合電動汽車 (FC-HEV)、插電式混合電動汽車 (PHEV)和純電動汽車 (EV)等。不同類型的電動汽車對動力蓄電池的要求不同，概述如表1所示。

 

 

表1 不同電動汽車對動力電池的要求

 

從表1中可以看出，鋰離子電池的性能幾乎可以滿足所有類型電動汽車需要，鋰離子電池是當(dāng)前所有可充電電池中綜合性能最優(yōu)的一種電池，也是目前最佳的能應(yīng)用于插電式混合動力汽車和純電動汽車的電池。

 

鋰離子電池負(fù)極材料包含碳負(fù)極材料、鈦氧化物、錫與碳的復(fù)合物、硅的復(fù)合物等。目前商業(yè)化的鋰離子電池的負(fù)極材料主要采用碳負(fù)極材料。碳負(fù)極材料電池有著比能量高、功率性能好等優(yōu)勢，但是碳電極與金屬鋰的電位接近，當(dāng)電池過充電時(shí)容易在碳電極表面析出金屬鋰形成鋰枝晶，鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路等安全隱患問題。同時(shí)，碳負(fù)極電池在首次化成時(shí)電極表面還原形成表面膜(SEI膜)，SEI膜的形成和修復(fù)過程會消耗電解液，造成不可逆容量加大，電池衰減加劇而影響電池使用壽命。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料嵌鋰電位約1.5V，不會形成鋰枝晶，在充放電過程中體積應(yīng)變小于 1%，并且納米化的鈦酸鋰電池具有大電流充放電能力，能夠數(shù)分鐘完成充電，即便是在低溫環(huán)境條件下快速充電也難以析出鋰枝晶，所以鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長和安全性能優(yōu)異的特點(diǎn)，可以保障快速充電應(yīng)用領(lǐng)域電池的耐久性和安全性。因此，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池在電動汽車要求高安全性、高穩(wěn)定性和長壽命周期的應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

 

三、 鈦酸鋰動力電池的產(chǎn)業(yè)化

 

2008年東芝報(bào)道了4.2Ah SCiB超級鋰電池(Super Charge ion Battery)高功率鈦酸鋰鋰離子動力電池，標(biāo)稱電壓為2.4V，能量密度約為67.2Wh/kg(131.6Wh/L)。由10個(gè)單元串聯(lián)組成的標(biāo)準(zhǔn)模塊能量密度約為50.4 Wh/kg(74.7 Wh/L)。在快速充放電條件下〔25℃，10C(42A)充電，15A放電〕，充放電循環(huán)3 000次，容量衰減不到10%。以50A的大電流進(jìn)行快充，電池單元及標(biāo)準(zhǔn)模塊均可在5min充滿90%以上的容量。電池還具有良好的低溫放電性能，在-30℃仍可放出80%以上的容量。

 

同期美國EnerDel、Altairnano公司也報(bào)道了各自研發(fā)的鈦酸鋰動力電池適用于電動車和儲能領(lǐng)域。美國EnerDel公司開發(fā)的5Ah混合動力車用鋰離子電池，正極使用尖晶石錳酸鋰(LiMn2O4)材料。電池單元以50C倍率連續(xù)放電可以放出1C容量的95%以上，電池的溫度僅有34.4℃。在-30℃的條件下，以1C倍率放電仍可放出90%以上的容量。循環(huán)壽命方面，在55℃的高溫下，即使多次進(jìn)行100%DOD 5C充放電循環(huán)，1 000次循環(huán)后仍有95%以上的容量保持率，顯示出優(yōu)異的性能。美國Altair Nanotechnologies公司開發(fā)的10Ah高功率鋰離子電池，以Li4Ti5O12為負(fù)極材料，鈷酸鋰(LiCoO2)基材料為正極，100%DOD 10C充放電循環(huán)壽命更是高達(dá)20 000次以上，在50%荷電狀態(tài)下10s輸出功率密度接近5 000W/kg，10s輸入功率密度大于4 000W/kg，并且具有優(yōu)異的低溫放電性能，即使在-40℃的低溫下，電池的平均電壓仍達(dá)到2.1V以上，可以放出60%以上的容量。電池的熱穩(wěn)定性能也十分優(yōu)異，即使在240℃的高溫下，將電池儲存30min 后不冒煙、不著火、不爆炸。從此以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動力電池成為國內(nèi)外公司和科研院所研發(fā)的熱點(diǎn)。

 

鈦酸鋰電池的工作電壓一般在2.2~2.5V，是碳負(fù)極電池工作電壓的2/3左右，在比能量相同的情況下，需要鈦酸鋰電池的數(shù)量會多出1/3，因此鈦酸鋰電池每瓦時(shí)的成本稍高。但是考慮10年以上的使用壽命，其長周期使用成本則大大降低。近年來，我國采用鈦酸鋰電池為動力源的新能源汽車已開始投入運(yùn)營，鈦酸鋰電池已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。已有鈦酸鋰電池應(yīng)用報(bào)道的國內(nèi)企業(yè)包括湖州微宏動力有限公司(簡稱“微宏動力”)、中信國安盟固利電源技術(shù)有限公司(簡稱“盟固利”)、珠海銀隆新能源有限公司(簡稱“珠海銀隆”)、 安徽天康(集團(tuán))股份有限公司(簡稱“安徽天康”)等，應(yīng)用于快充型純電動客車、插電式混合動力客車、雙源無軌電車等。

 

2011年微宏動力推出10Ah鈦酸鋰電池，應(yīng)用于快充純電動及混合動力公交車，在重慶經(jīng)過1年多的運(yùn)行，行駛5萬多千米，充電2 000多次，在重慶山地和44℃高溫的考驗(yàn)下，經(jīng)測試衰減不到1%。

 

2013年盟固利推出8.5Ah鈦酸鋰電池，單體電池6C充放電循環(huán)12 000次容量保持初始容量的90%，電池組的壽命預(yù)計(jì)將達(dá)到80%，15 000次;6C可充入91%容量，12C可充入85%容量。2014年初試運(yùn)行于北京雙源無軌電車，如圖2所示。每天充放電約30次，運(yùn)行一年后隨機(jī)對電池進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)顯示運(yùn)行一年后電池容量及功率均無衰減，見圖3。2014年底盟固利為北京公交集團(tuán)進(jìn)一步提供了30套鈦酸鋰電池系統(tǒng)。

 

圖2 盟固利為北京公交集團(tuán)提供的鈦酸鋰電池及運(yùn)行車輛

 

圖3 運(yùn)行一年后盟固利鈦酸鋰電池容量和功率曲線

 

珠海銀隆于2010年收購了掌握先進(jìn)鈦酸鋰電池技術(shù)的Altair Nanotechnologies公司51%的股份，開始投產(chǎn)鈦酸鋰電池，主要產(chǎn)品是180Ah的環(huán)形電池和45Ah的圓柱電池，應(yīng)用于儲能和電動汽車領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道2014年底在珠海投放了500輛純電動公交車。

 

當(dāng)前國內(nèi)鈦酸鋰電池性能與國外差距不大，鈦酸鋰電池具有快速充電、長壽命、高安全和良好的低溫特性等優(yōu)點(diǎn)，用于新能源汽車領(lǐng)域正逐漸獲得青睞。北汽福田汽車股份有限公司、中通客車、金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司、廈門金龍汽車集團(tuán)股份有限公司、安徽安凱汽車股份有限公司、寧波南車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司等多家主流客車廠已相繼推出鈦酸鋰動力電池的新能源客車。

 

四、鈦酸鋰動力電池的應(yīng)用前景

 

據(jù)國家發(fā)展改革委介紹，2015年力爭在北京六環(huán)內(nèi)建成平均服務(wù)半徑為5kg的充電網(wǎng)絡(luò)，下一步將重點(diǎn)在社會公共停車場和京津冀高速路服務(wù)區(qū)等領(lǐng)域建充電樁。屆時(shí)，鈦酸鋰電池的快充優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮，并且未來充電網(wǎng)絡(luò)的大面積覆蓋使裝有鈦酸鋰電池的電動車能隨時(shí)、隨地充電，人們會漸漸淡化對鈦酸鋰電池能量密度的要求。隨著今后補(bǔ)貼政策的逐年遞減，相信未來單次循環(huán)成本較低、安全可靠的鈦酸鋰動力電池會被廣泛應(yīng)用成為電池領(lǐng)域的佼佼者。

 

除了新能源汽車領(lǐng)域，鈦酸鋰電池在儲能和軌道交通領(lǐng)域也將體現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)勢。2014年10月，東芝公司宣布從電力服務(wù)公司ENERES接到了1萬臺輸出功率10kW、容量9.9kWh的蓄電池池系統(tǒng)訂單。2014年11月，東芝宣布將向日本東北電力公司實(shí)施的“西仙臺變電站頻率變動對策蓄電池系統(tǒng)實(shí)證項(xiàng)目”提供輸出功率為40MW的蓄電系統(tǒng)，容量為20MW時(shí)，采用20Ah電池單元SCiB。蓄電系統(tǒng)用于應(yīng)對輸出功率隨氣象條件變化的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的頻率變動。

 

在軌道交通領(lǐng)域2014年12月，東芝對外宣稱該公司已經(jīng)向東武鐵道株式會社供應(yīng)牽引式儲能系統(tǒng)(TESS)。列車駛?cè)胲囌緯r(shí)，TESS會儲存列車減速產(chǎn)生的牽引能，并在加速駛離車站時(shí)釋放。我國2014年中信國安盟固利為長客動車提供了鈦酸鋰電池系統(tǒng)作為動力輔助電源。在中國東北高寒地區(qū)運(yùn)行，使用工況為9C充電，10C放電，當(dāng)列車駛?cè)胲囌緯r(shí)，電池系統(tǒng)回收列車減速產(chǎn)生的牽引能，加速駛離車站時(shí)釋放電能?？紤]到動車對電池的低溫性能、安全性和壽命作為主要要求指標(biāo)，鈦酸鋰電池或?qū)⒊蔀閯榆噯雍蛡溆秒娫吹淖詈线m選擇。