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(dòng)汽車(EV)、插電式混合動(dòng)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(shí)。

 

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(jí)。美國出臺(tái)了一系列新能源計(jì)劃，將大力發(fā)展電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)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(dòng)汽車為主體的下一代汽車。目前日本混合動(dòng)力電動(dòng)汽車全球銷量第1，其產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)純電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(tái)了各種新能源汽車補(bǔ)貼政策鼓勵(lì)消費(fèi)者購買電動(dòng)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(dòng)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(huì)積極推廣新能源汽車的使用。繼奧運(yùn)會(huì)和世博會(huì)2大盛會(huì)之后，近年舉辦的全國兩會(huì)、中博會(huì)、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(huì)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(dòng)汽車市場在不斷升溫，動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池的應(yīng)用需求

 

動(dòng)力電池是各種電動(dòng)車輛的能量載體和動(dòng)力來源，動(dòng)力電池的性能直接決定了車輛的性能。新能源汽車用動(dòng)力電池包含：鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、超級(jí)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(dòng)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(dòng)汽車 (HEV) 、燃料電池混合電動(dòng)汽車 (FC-HEV)、插電式混合電動(dòng)汽車 (PHEV)和純電動(dòng)汽車 (EV)等。不同類型的電動(dòng)汽車對動(dòng)力蓄電池的要求不同，概述如表1所示。

 

 

表1 不同電動(dòng)汽車對動(dòng)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(dòng)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(dòng)力汽車和純電動(dòng)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(huì)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(huì)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(huì)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(dòng)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(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化

 

2008年東芝報(bào)道了4.2Ah SCiB超級(jí)鋰電池(Super Charge ion Battery)高功率鈦酸鋰鋰離子動(dòng)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(dòng)力電池適用于電動(dòng)車和儲(chǔ)能領(lǐng)域。美國EnerDel公司開發(fā)的5Ah混合動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)力有限公司(簡稱“微宏動(dòng)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(dòng)客車、插電式混合動(dòng)力客車、雙源無軌電車等。

 

2011年微宏動(dòng)力推出10Ah鈦酸鋰電池，應(yīng)用于快充純電動(dòng)及混合動(dòng)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(chǔ)能和電動(dòng)汽車領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道2014年底在珠海投放了500輛純電動(dòng)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(dòng)力電池的新能源客車。

 

四、鈦酸鋰動(dòng)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(huì)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(dòng)車能隨時(shí)、隨地充電，人們會(huì)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(dòng)力電池會(huì)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(chǔ)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(tái)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(tái)變電站頻率變動(dòng)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(dòng)。

 

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(huì)社供應(yīng)牽引式儲(chǔ)能系統(tǒng)(TESS)。列車駛?cè)胲囌緯r(shí)，TESS會(huì)儲(chǔ)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(dòng)車提供了鈦酸鋰電池系統(tǒng)作為動(dòng)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(dòng)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?dòng)車啟動(dòng)和備用電源的最合適選擇。