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各顯神通,揭秘電池的奧秘世界!

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  新能源技術之關鍵,是電池,但不同企業對電池技術路線的選擇,卻是各顯神通。

  “我今天愿意拿所有的資產投入到銀隆中去。”董明珠在去年12月15日的“中國制造高峰論壇”上表示。據悉,銀隆是一家年輕的新能源技術公司,2011年銀隆控股美國奧鈦納米技術有限公司,以此掌握了電動車鋰電池中的鈦酸鋰材料生產技術。 

  “而電動汽車電池既是發展電動汽車的核心,更是電力工業與汽車行業的關鍵結合點。”國家新能源汽車創新工程專家組組長王秉剛對此表示。目前做電動車(包括低速電動車、混動等)的電池種類繁多,例如豐田的混動車型用鎳氫電池,本田混動、別克混動則用鋰電池,董明珠看好銀隆鈦酸鋰電池,比亞迪新能源則用磷酸鐵鋰電池等。

  可以看出,新能源發展核心就是電池技術。萬向集團董事長魯冠球也曾表示,“電池的進步往往是突破性的,是選擇用什么材料的問題,這就導致其具有很強的顛覆性,所以投資風險很大。現在電池不僅是萬向遇到最難的問題,也是行業目前無法突破的瓶頸。”

  那么現在新能源市場上使用的主流電池種類都有哪些呢?它們的應用有什么區別呢?下面就來帶領大家一同走進電池的奧秘世界。

  鉛酸電池

  代表企業或車型:長安汽車、北汽集團、長城汽車、吉利汽車、上汽通用等傳統燃油車,一般采用鉛酸電池作為車輛供電裝置,目前市面上大部分低速電動車也采用鉛酸電池。

  第一代電動汽車EV1采用的就是鉛酸電池,是由美國通用汽車公司在1996年生產,而鉛酸蓄電池由 Gaston Plante在 1859 年發明,從發明到被應用在電動汽車歷經137年。所謂鉛酸蓄電池是以氧化鉛為正極板,以海綿鉛為負極板,硫酸水溶液作為電解液。鉛酸蓄電池是目前在汽車領域應用最為廣泛的電池,主要作為內燃機汽車內部各種電器和電子設備的供電電源。


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  鉛酸蓄電池分封閉式和非封閉式兩種。封閉式不須維護,允許深度放電,可循環使用,價格低廉,已成為大多數傳統燃油汽車供電裝置。例如,別克威朗就使用的免維護式鉛酸蓄電池。不過鉛酸蓄電池能量小和功率低是其致命弱點。

  業內專家指出,一個單格鉛酸電池的標稱電壓是2.0V,能放電到1.5V,能充電到2.4V;在實際應用中,經常用6個單格鉛酸電池串聯起來組成12V的鉛酸電池,還有24V、36V、48V等,使用壽命一般為3年。

  “功率、密度是可以通過增大電極的表面積來提高的,但是將會增加侵蝕速度從而縮短電池的使用壽命。”清華大學電機系副教授胡澤春表示,“充放電方式也會嚴重影響它的使用壽命,長期過度充電和過度放電都會導致電池壽命縮短。”

  鉛酸蓄電池之所以在過去 50年被廣泛應用,除有成熟的技術、可以大批量生產、生產成本低外,可換性及價格便宜也占主導性因素。盡管新電池技術不斷地產生,但鉛酸蓄電池至今仍作為動力源,主要應用于旅游觀光車、電動叉車或者一些短距離行駛的公交車上。

  堿性電池

  代表企業或車型:一汽豐田混動車型、長安福特混動車型、雷克薩斯RX400h、保時捷Cayenne等,一般使用鎳氫電池作為動力電源。

  所謂堿性電池由鎳基和堿性溶液電解液構成,主要有鎳鎘電池、鎳鋅電池和鎳氫電池 3 種,其中鎳氫電池相對于鎳鎘、鎳鋅電池,比能量較高并對環境無污染。

  業內專家指出,鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成,電量儲備比鎳鎘電池多30%,比鎳鎘電池更輕,使用壽命也更長。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多,性能比鋰電池要差。據悉,1999年通用汽車研發的第 2 代電動汽車就是以鎳氫電池為動力源,但最終因無競爭力而退出市場。不過日本豐田汽車公司利用鎳氫電池技術制造了將內燃機和電動機相結合的第 3 代電動汽車,即混合動力車(HEV)。


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  鎳氫電池成為在電動汽車電池技術研究領域和市場應用中最受關注的電池,相對鉛酸電池,鎳氫電池在能量體積密度方面提高了 3 倍,在比功率方面提高了 10 倍。這項技術獨特的優勢包括:更高的運行電壓、比能量和比功率,較好的過度充放電耐受性和熱性能。

  “不過,鎳氫電池應用也有一定的受限性,其在低溫時容量減小和高溫時充電耐受性不佳;此外,價格也是制約鎳氫電池發展的主要因素,原材料如金屬鎳非常昂貴。鎳氫電池雖比鉛酸電池儲存更多的能量,但過放電會造成永久性損傷,荷電狀態必須被限制在一個較小的范圍內,電池儲存的大部分能量并沒有被實際使用,如豐田 Prius 只能使用電池 20%的能量。”業內專家表示。

  鋰離子電池

  代表企業或車型:本田混動、別克混動等,例如本田雅閣銳混動、別克君越混動。

  鋰離子電池可分為鋰離子電池和鋰聚合物電池2 種。鋰離子電池的陰極材料主要有鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、磷酸鐵鋰等,陽極材料主要有石墨、鈦酸鋰等。不同陰極材料的鋰離子電池性能也不盡相同。


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  “相較鎳氫電池,鋰離子電池具有相對較高的工作電壓和較大的比能量,是鎳氫電池的 3 倍。鋰離子電池體積小,質量輕,循環壽命長,自放電率低,無記憶效應且無污染;電池單個性能指標的數值范圍跨度大,這是因為鋰離子電池有較多的電極組合,它們在性能上存在一定的差異。”胡澤春副教授解釋道。

  當然,鋰離子電池大量應用于電動汽車也存在問題,主要是因為多種性能的限制,包括鋰離子電池的安全性、循環壽命、成本、工作溫度和材料供應。據悉,鋰離子電池目前以小容量、低功率電池為主,大容量高功率的鋰離子電池尚未大規模生產。另外對電池組的電池管理系統中一些技術還不成熟(如均衡充電技術)也是鋰離子電池尚未在電動汽車中廣泛應用的重要原因之一。

  磷酸鐵鋰電池

  代表企業或車型:比亞迪純電動汽車(秦、秦EV、唐等),宇通新能源客車、廈門金龍新能源客車等。

  目前在電動汽車中,應用較多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰電池。比亞迪新能源就采用磷酸鐵鋰電池。它具有磷氧共價鍵結構,使氧原子不會被釋放出來,因而熱穩定性和安全性較好,同時價格相對便宜。這些因素使磷酸鐵鋰電池成為小型電動汽車和PHEV動力電池首選。


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  業內專家指出,磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。其特色是不含鈷等貴重元素,原料價格低且磷、鐵,資源含量豐富。其工作電壓為3.2V、單位重量下電容量大(170mAh/g)、高放電功率、可快速充電且循環壽命長,在高溫與高熱環境下的穩定性高。

  “不過在鋰離子電池中,磷酸鋰電池的比能量、比功率以及運行電壓相對較低,在大型純電動車應用方面鈷酸鋰和錳酸鋰電池等更具優勢。”業內專家對此表示。

  三元鋰電池

  代表汽車或車型:特斯拉、吉利帝豪、北汽EV200、江淮iEV5、艾瑞澤7e、榮威Erx5等。

  三鋰電池就是正極材料使用鎳鈷錳酸鋰三元正極材料的鋰電池。據清華大學歐陽明高教授解釋,所謂 "三元",指的是正極是三元,負極是石墨。三元鋰電池具有能量密度高,循環性能好于正常鈷酸鋰的優點。目前,隨著配方的不斷改進和結構完善,電池的標稱電壓已達到3.7V,在容量上已經達到或超過鈷酸鋰電池水平。


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  特斯拉公司生產的電動汽車就是選用的三元鋰電池,特斯拉電池技術總監 Kurt Kelty 給出的選用理由是:能量密度更大且穩定性、一致性更好;可以有效降低電池系統的成本;尺寸小,可控性和安全性都能不斷提高。

  不過有業內人士指出,“三元鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池等,由于鎳鈷鋁的高溫結構不穩定,導致高溫安全性差,且pH 值過高易使單體脹氣,進而引發危險,目前造價較高。”

  據悉,現有三元鋰電池如果內部短路或是正極材料遇水,都會有明火產生。所以一般三元鋰電池都會有一層鋼殼保護,由于特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成,所以,雖然特斯拉給電池組進行了全方位的保護,但是在極端的碰撞事故中,起火隱患還是有的。

  “而磷酸鐵鋰電池則要穩定許多,電池板就算是穿刺、短路也不會爆炸燃燒,遭到350℃的高溫也不會起火(三元鋰電池在180-250℃就扛不住了)。所以在安全性能上,磷酸鐵鋰電池略勝一籌。”業內人士告訴記者。

  鈦酸鋰電池

  代表企業:珠海銀隆,目前該項電池技術應用正在研發試驗階段。

  在實際研發應用中,有一種正極是三元,負極是鈦酸鋰組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池,通常被稱為“鈦酸鋰”,其性能比較安全,壽命比較長,不屬于普通所說的“三元材料”。

  “所謂鈦酸鋰電池,是采用鈦酸鋰作為電池的負極材料,這一技術路線迥異于主流的采用石墨作為負極材料。”業內人士指出。


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  格力電器董事長董明珠對此表示,“鈦酸鋰是美國奧鈦納米公司最成熟的產品之一。” 有業內人士指出,“采用鈦酸鋰作為負極材料的優缺點都十分明顯。其優點是電池循環壽命長、具備快充、耐寬溫和安全性好等特性。缺點在于造價偏高、能量密度偏低,相對應的,其電池體積較大。其中,能量密度偏低(通俗而言就是電量少)是非常致命的。業界普遍認為:鈦酸鋰電池的能量密度(90 wh/kg)低于其他類型的動力電池上(磷酸鐵鋰為 110 ~120 wh/kg)。受制于這一因素,該技術很難應用于新能源乘用車(輕型車)上。

  珠海銀通新能源董事長魏銀倉也承認,“銀隆所研發的鈦酸鋰電池確實是小眾的,而且經濟效益也排在最后,但他強調,銀隆看重的是這一技術全生命周期的綠色環保、以及安全。”

  據悉,目前這項技術主要應用于儲能系統、機器人行業以及少量公交車上,因為應用范圍局限,鈦酸鋰電池在全球鋰電池中僅占比2%。 除能量密度外,鈦酸鋰的價格比磷酸鐵鋰和三元材料貴兩三倍以上。目前,世界上僅有兩家公司在鈦酸鋰電池領域掌握領先優勢,一是日本東芝,二是珠海銀隆。 

  前景展望

  凡事有利便有弊,不同類型的動力電池表現如何,終究需要市場長期的驗證。在目前市場上的電池中,鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)除在價格和安全性方面處于劣勢以外,其他方面均處于絕對領先地位,有進一步研發和大規模應用的前景。目前在混動車型中,主要的汽車公司均采用鎳氫電池和各種基于鋰離子技術的電池,電池組容量為 3~60 kW·h甚至更多。在傳統燃油汽車中,主要應用鉛酸電池作為設備供電裝置。鈦酸鋰電池目前尚處在研發階段,還未大規模量產。

  所以,電池不同技術路線的競爭和核心技術性能的突破才剛剛開始。

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