劉春娜

2014年8月13日，《人民日?qǐng)?bào)》刊登了記者王政的文章《新能源汽車的春天來(lái)了》。文章中描述了新能源汽車上半年產(chǎn)銷雙超兩萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)全年產(chǎn)銷將達(dá)到五萬(wàn)輛。近年有關(guān)部門積極推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應(yīng)用，出臺(tái)了一系列政策措施，極大地推動(dòng)了新能源汽車的商業(yè)化。截至目前，全國(guó)累計(jì)有兩批共88個(gè)城市列入了新能源汽車示范推廣計(jì)劃。新能源汽車銷量從2011年全年的8159輛增長(zhǎng)到了2014年上半年的20477輛。此外，對(duì)符合要求的新能源汽車免征車船稅以及從2014年9月1日到2017年底對(duì)符合條件的新能源汽車免征車輛購(gòu)置稅等政策，也催生了市場(chǎng)的熱情。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，新能源汽車電池也迎來(lái)了發(fā)展的春天。

1 新能源汽車電池的主要類別

從新能源汽車的發(fā)展來(lái)看，其動(dòng)力電源主要包括鋰離子電池、燃料電池、氫鎳電池、鉛酸電池等。2010年6月發(fā)布的新能源汽車補(bǔ)貼以電池容量為確定補(bǔ)貼的唯一指標(biāo)，鉛酸電池完全被否定。前期的新能源汽車定義中包括鉛酸電池的項(xiàng)目，而現(xiàn)在明確補(bǔ)貼的動(dòng)力電池不包括鉛酸電池，作為混合動(dòng)力主力的氫鎳電池也將很少補(bǔ)貼?？梢?，在政策層面，鋰離子電池和燃料電池已經(jīng)成為最大的獲益對(duì)象，其中又以鋰離子電池研究最為廣泛。

2 新能源汽車用鋰離子電池

鋰離子電池以其優(yōu)越的性能和較為成熟的技術(shù)成為未來(lái)十年新能源汽車用電池首選，其主要優(yōu)勢(shì)有：(1)具有更高的質(zhì)量比能量、體積比能量，目前能達(dá)到100~125 Wh/kg和 240~300 Wh/L，是氫鎳電池的1.5倍；(2)電壓高：?jiǎn)喂?jié)鋰離子電池電壓為3.6~3.9 V，相當(dāng)于3只氫鎳電池的串聯(lián)電壓；(3)自放電小，可長(zhǎng)時(shí)間存放：充滿電的鋰離子電池儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為10%左右，大大低于氫鎳電池的30%~35%；(4)無(wú)記憶效應(yīng)：鋰離子電池不存在所謂記憶效應(yīng)，所以其充電前無(wú)需放電；(5)壽命長(zhǎng)：正常工作條件下，鋰離子電池可達(dá)到500次以上的充放電循環(huán)次數(shù)；(6)可以快速充電：通?？梢圆捎?.5~1倍容量的電流充電，使充電時(shí)間縮短至1~2小時(shí)；(7)可以并聯(lián)使用；(8)由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是目前最先進(jìn)的綠色電池。

有關(guān)鋰離子電池的研究主要集中在大容量、長(zhǎng)壽命和安全性三個(gè)方面：(1)國(guó)內(nèi)的鋰離子電池最高已具有100 Wh/kg的質(zhì)量比能量和高于2000 W/kg的比功率，國(guó)外已有3000 W/kg高比功率鋰離子電池用于新能源汽車的報(bào)道；(2)鋰離子電池的壽命要同時(shí)考慮里程壽命和周期壽命；(3)鋰離子電池的安全性事故是指鋰離子電池使用過程中發(fā)生的爆炸或起火事故。

目前，關(guān)于鋰離子電池材料的研究報(bào)道相對(duì)較多。鋰離子電池的原材料主要包括正負(fù)極材料、電解液、隔膜等。其中，正極材料是鋰離子電池中最為關(guān)鍵的原材料，直接決定了電池的安全性能和電池能否大型化，同時(shí)也是鋰離子電池成本占比最高的材料。

在過去的幾年里，鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)主要得益于充電寶、電子煙、智能手機(jī)市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，而新能源汽車用鋰離子電池市場(chǎng)則因?yàn)檎叱跏忌胁幻骼识艿揭欢ㄓ绊憽Ｈ缃?，在政策和市?chǎng)的雙重驅(qū)動(dòng)下，新能源汽車行業(yè)將邁入商業(yè)化大規(guī)模推廣階段，這其中，作為核心領(lǐng)域的鋰離子電池將直接受益，這將對(duì)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生較大的推動(dòng)作用。隨著鋰離子電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用的逐步成熟，其對(duì)傳統(tǒng)二次電池的替代作用也更加明顯，整個(gè)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)規(guī)模保持了年均30%以上的增長(zhǎng)速度。據(jù)預(yù)測(cè)，2014~2015年中國(guó)新能源汽車用鋰離子電池的需求規(guī)模將達(dá)到23336 MWh。即使按照新能源汽車推廣70%的成功率計(jì)算，鋰離子電池的需求規(guī)模也能達(dá)到16737 MWh。專家認(rèn)為，中國(guó)新能源汽車用鋰離子電池未來(lái)兩年的總量將占小型鋰離子電池市場(chǎng)50%的水平。

新能源汽車爆發(fā)式增長(zhǎng)，促進(jìn)鋰離子電池行業(yè)的快速發(fā)展。以特斯拉新能源汽車為例，2013年，特斯拉Model S全球銷量為2.23萬(wàn)輛，其中30%的用戶選擇入門級(jí)的60 kWh電池，70%配置80 kWh電池，由此推算，2013年Tesla消耗鋰離子電池總量達(dá)到165萬(wàn)kWh，由此推算出，特斯拉2013年全年消耗鋰離子電池?cái)?shù)量達(dá)到165萬(wàn)kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他新能源汽車對(duì)于鋰離子電池的需求。若2014年特斯拉Model S實(shí)現(xiàn)超過3.5萬(wàn)輛的出貨量目標(biāo)，以及特斯拉第三代Model X上市，僅特斯拉一家公司鋰離子電池的需求量已超過259萬(wàn)kWh，鋰離子電池行業(yè)將實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

我國(guó)新能源汽車用動(dòng)力鋰離子電池的能量密度和功率密度與德國(guó)、法國(guó)等先進(jìn)國(guó)家的產(chǎn)品水平相當(dāng)，但在循環(huán)壽命(常規(guī)條件)上還有差距；混合動(dòng)力汽車用高功率鋰離子蓄電池的綜合性能取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，縮小了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，已初步滿足實(shí)用化要求。

3 新能源汽車用燃料電池

雖然燃料電池價(jià)格非常昂貴且氫能使用并非新能源汽車所必需，但其實(shí)踐應(yīng)用仍得到人們廣泛的重視。這是因?yàn)闅淙剂想姵卦趯浜脱蹀D(zhuǎn)換為低壓、直流電時(shí)可達(dá)55%～60%高效能，是內(nèi)燃機(jī)效率的三倍。而且，燃料電池車具備環(huán)保、續(xù)航能力強(qiáng)、加注燃料快等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決當(dāng)前鋰離子電池新能源汽車存在的三大問題(間接污染、續(xù)航能力普遍不足、充電時(shí)間長(zhǎng))，是未來(lái)新能源汽車的重要發(fā)展方向。

研究表明，燃料電池可發(fā)揮85%的潛在效率，甚至更高。燃料電池中的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的工作溫度在50～80℃，能夠按照汽車運(yùn)行電量的需求變化調(diào)整電量的輸出。PEMFC因其不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)地把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染、啟動(dòng)速度快、電池壽命長(zhǎng)、比功率和比能量高及耐久性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，成為應(yīng)用最廣的一類燃料電池，尤其是在汽車用燃料方面，PEMFC的應(yīng)用接近該市場(chǎng)的100%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃料電池2013年市場(chǎng)價(jià)值達(dá)456億美元，其中汽車燃料電池市場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到100億美元。

世界上已有100多家燃料電池生產(chǎn)商，除此之外，還有許多的汽車和石油公司積極參與該領(lǐng)域的研發(fā)、生產(chǎn)工作。全球燃料電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，其中質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用最廣。燃料電池生產(chǎn)主要集中在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，目前，全球燃料電池市場(chǎng)仍然由北美主導(dǎo)，該地區(qū)燃料電池的研發(fā)與生產(chǎn)最為活躍，其次是歐洲和日本。我國(guó)和韓國(guó)近年來(lái)對(duì)燃料電池的發(fā)展也投入了巨大的熱情。從燃料電池應(yīng)用和消費(fèi)的角度來(lái)看，日本最為積極，其燃料電池的消費(fèi)量大于生產(chǎn)量，而歐洲的生產(chǎn)量與消費(fèi)量基本持平。

燃料電池汽車以氫氣為能源，利用電解水的逆反向原理，通過氫和氧結(jié)合反應(yīng)生成的電為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)行駛。目前，豐田、本田、通用在燃料電池車研發(fā)上處于領(lǐng)先位置。燃料電池采用可再生的能源——?dú)?，與傳統(tǒng)的汽油燃料相比，具有環(huán)保、不會(huì)枯竭等好處。為此，有人將其上升為“氫經(jīng)濟(jì)”的高度，認(rèn)為這最終會(huì)取代現(xiàn)在的“石油經(jīng)濟(jì)”。

不過，從目前的實(shí)際情況看，氫燃料電池車距大規(guī)模商業(yè)化還存在差距，這是因?yàn)榘l(fā)展氫燃料電池汽車還存在如下問題：(1)由于燃料電池主要使用氫燃料，但氫不是自由能源，轉(zhuǎn)化技術(shù)目前還不成熟，另外氫燃料電池工作所需的催化劑鉑(Pt)是稀有金屬，成本極高。這些客觀因素導(dǎo)致目前氫燃料電池汽車的發(fā)展難度較大。(2)氫燃料電池制造成本高。目前，氫燃料電池的成本是普通汽油機(jī)的100倍，這個(gè)價(jià)格是市場(chǎng)所難以承受的。(3)低溫啟動(dòng)困難，由于氫燃料電池反應(yīng)生產(chǎn)水，水在0℃以下就會(huì)結(jié)冰，使其在低溫下難以工作。不過，最近本田已經(jīng)研究出可以在－20℃啟動(dòng)的燃料電池車。(4)連續(xù)行使距離短。由于氫氣儲(chǔ)存困難，連續(xù)行使里程只是汽油車的1/2。(5)質(zhì)量和體積給車輛布置帶來(lái)困難。以本田FCX為例，僅其所用的氫氣瓶容量就有157升，是傳統(tǒng)油箱體積的3倍。(6)加氫設(shè)施建設(shè)難度大。

日本在氫能源液氫和高壓氣態(tài)氫儲(chǔ)存方面的技術(shù)相對(duì)成熟，日系汽車公司也在2014~2015年有多項(xiàng)氫燃料車的推出計(jì)劃。豐田汽車計(jì)劃2014年年底在日本率先推出四人座燃料電池車，最初產(chǎn)量為每月數(shù)十輛，售價(jià)預(yù)計(jì)為700萬(wàn)日元(折合人民幣約42.7萬(wàn)元)，一次加注僅需3分鐘，續(xù)航能力在500~700公里。本田汽車也加大了對(duì)燃料電池技術(shù)的研發(fā)，預(yù)計(jì)將在2015年推出五人座燃料電池汽車，售價(jià)預(yù)計(jì)為1000萬(wàn)日元(折合人民幣約61萬(wàn)元)。

2014年9月15日，國(guó)內(nèi)首臺(tái)取得銷售許可的燃料電池汽車亮相大連新能源汽車展。該車由大連新源動(dòng)力提供動(dòng)力支持，最高時(shí)速可達(dá)150公里，續(xù)航里程達(dá)500公里；而特斯拉Model S最高時(shí)速和續(xù)航里程分別為210公里/小時(shí)和483公里。但是，該款燃料車每百公里耗氫費(fèi)用約50元，能耗費(fèi)用并不見優(yōu)勢(shì)。特斯拉Model S行駛同等距離的成本僅為9元，而目前使用最廣泛的燃油車每百公里耗油費(fèi)用也僅為50~60元左右。業(yè)內(nèi)專家表示，國(guó)內(nèi)氫燃料電池車的真正發(fā)展仍需時(shí)日。目前除加強(qiáng)汽車性能提升外，氫氣的儲(chǔ)存仍是一大難點(diǎn)。與電動(dòng)車的電能不同的是，氫氣易燃易爆，尤其壓縮后對(duì)環(huán)境的要求較為嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)外不乏氫氣爆炸的案例。而使其能長(zhǎng)久而安全的應(yīng)用于汽車內(nèi)，并頻繁進(jìn)行注入氫氣的動(dòng)作，對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)的要求較高。此外，加氫站的推廣亦是制約國(guó)內(nèi)燃料電池汽車的重要因素。目前國(guó)內(nèi)加氫站僅3座，建設(shè)地在北京和上海，并且都只是示范工程，與國(guó)外的氫高速公路(一條具多座加氫站的公路)相比差距較大。

4 新能源汽車電池發(fā)展的關(guān)鍵

專家認(rèn)為，技術(shù)仍然是新能源汽車電池發(fā)展的關(guān)鍵。目前制約中國(guó)新能源汽車發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸即是電池容量難突破，導(dǎo)致續(xù)駛里程短，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到替代傳統(tǒng)燃油汽車的水平，而且這也是世界性難題。日本近期已集合多所大學(xué)及企業(yè)進(jìn)行高比能量電池的研究，目標(biāo)為2015年達(dá)到300 Wh/kg(可支持電池車行駛 300公里)，2030年達(dá)到 500 Wh/kg(可替代傳統(tǒng)燃油汽車的水平)。同時(shí)，日本等地廣建氫氣站，推動(dòng)燃料電池車普及。目前我國(guó)的磷酸鐵鋰離子電池的能量密度可以做到100 Wh/kg，支持行駛100公里。同時(shí)我國(guó)部分電池企業(yè)正進(jìn)行下一代電池的研發(fā)，采用三元材料與改性錳酸鋰等，其比能量最高可達(dá)180 Wh/kg，可支持最高200公里，預(yù)計(jì)兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

總之，新能源汽車電池屬于高投入的產(chǎn)業(yè)，目前國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)剛進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)作階段，各商業(yè)模式還未盈利，研發(fā)主要還是集中于商業(yè)應(yīng)用較廣的磷酸鐵鋰電池，對(duì)于密度更高的動(dòng)力電池研發(fā)，還需要給予更多的關(guān)注。 同時(shí)，由于我國(guó)分散研發(fā)比較明顯，因此急需政府的牽頭與推動(dòng)，來(lái)促進(jìn)新能源汽車電池的健康發(fā)展。