未來電動(dòng)汽車的發(fā)展重點(diǎn)：鋰離子電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化

羅如意 杭州市科技信息研究院

未來電動(dòng)汽車的發(fā)展重點(diǎn)：鋰離子電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化

羅如意 杭州市科技信息研究院

傳統(tǒng)能源的枯竭，全球氣候異常，發(fā)展新能源車已成為各國政府看好的“重頭戲”。2020年歐洲能源目標(biāo)中，新能源在歐洲交通系統(tǒng)中占比達(dá)10%。我國對電動(dòng)汽車的事業(yè)發(fā)展也非常重視，在“十五”和“十一五”規(guī)劃中都將其列為重大科技項(xiàng)目。

新能源電動(dòng)汽車最主要的部件是動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)，而動(dòng)力電池要實(shí)現(xiàn)快速充電、安全等高性能，是技術(shù)門檻最高、也是利潤最集中的部分。目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化最成功的是鎳氫動(dòng)力電池，燃料電池由于技術(shù)難度和完全零排放被視為遠(yuǎn)期目標(biāo)。因此，以鋰電池為動(dòng)力的純電動(dòng)汽車更是成為國際競爭的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車發(fā)展遭遇之瓶頸，即受制于電池，因此要發(fā)展就離不開電池這一核心技術(shù)，而目前最有希望獲得產(chǎn)業(yè)化的電池技術(shù)就是鋰離子電池。杭州擁有正泰太陽能、萬向電動(dòng)汽車開發(fā)中心等一大批高新技術(shù)企業(yè)，更應(yīng)該大力發(fā)展和扶持電動(dòng)汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

一、鋰離子電池發(fā)展創(chuàng)新分析

⒈鋰離子電池介紹

鋰離子電池屬于二次電池，即充電電池，是指在電池放電后可通過充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。鋰離子電池按照電解質(zhì)形態(tài)不同可分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰電池（見圖1）。液態(tài)鋰離子電池包括正極、負(fù)極、隔膜及電解液等四大材料。聚合物鋰電池是指正極、負(fù)極和電解質(zhì)中至少有一種是聚合物材質(zhì)的鋰電池。

⒉鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)遇

鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)為：能量密度約為鎳氫電池的1.5-2.5倍，為鉛酸蓄電池的3-5倍，自放電指標(biāo)顯著優(yōu)于鎳氫電池。其優(yōu)越性基本上可歸納為：工作電壓高、比能量大、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等（見表1）。

由于目前動(dòng)力鋰離子電池尚未產(chǎn)業(yè)化，鋰離子電池目前應(yīng)用仍局限于消費(fèi)電子，主要集中在筆記本電腦和手機(jī)。

新能源汽車對電池要求很高，因此，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新點(diǎn)即為創(chuàng)造出高比能量、高比功率、快速充電和深度放電的性能，且要求成本盡量低，實(shí)用壽命長，同時(shí)企業(yè)需擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，才能更好保持電池產(chǎn)業(yè)的競爭力和抵御外來企業(yè)入侵。

目前混合動(dòng)力汽車大都使用鎳氫電池，但該電池技術(shù)的有效性被認(rèn)為已經(jīng)到了極限，而鋰離子電池因具備小型輕量、高容量、高輸出功率等優(yōu)點(diǎn)而得到了北美、歐洲和亞洲汽車制造商的青睞，預(yù)計(jì)在該領(lǐng)域鋰離子充電電池也將逐步替代鎳氫電池。

⒊鋰離子電池面臨的挑戰(zhàn)

第一，專利隱患依賴于國內(nèi)廠商的自主技術(shù)探索來解決。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，目前常用的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰四種。作為最適合動(dòng)力電池的正極材料磷酸鐵鋰，德州大學(xué)于1997年對磷酸鐵鋰的晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)分子式申請了專利，后將專利授予加拿大自來水公司及其下屬公司使用。目前磷酸鐵鋰最上游的化合物制造專利被美國、加拿大和臺灣三家專業(yè)材料公司所掌握。國內(nèi)生產(chǎn)磷酸鐵鋰的企業(yè)必須加強(qiáng)自主研發(fā)能力，盡早申請國內(nèi)、國際專利，以消除產(chǎn)業(yè)發(fā)展隱患。

第二，導(dǎo)電率低，實(shí)際電容量低，低溫下放電性能差，已有部分解決方案。

鉛蓄電池 鎳氫電池 鋰離子電池 燃料電池液態(tài)鋰離子電池 聚合物鋰離子電池比能量（wh/kg） 35-4075-80110155500比功率（w/kg） 50160-230300315100體積比能量（wh/l） 80100-200200-280＞3201000電壓（伏） 21.23.73.70.6-0.8工作溫度 -20～60℃ 20～60℃ 0～60℃ 20～60℃ 20～105℃自放電率 4-5% 30-35% ＜5% ＜0.5% 極低循環(huán)壽命 800次 1000次以上 1000次以上 1000次以上原材料豐富，廉價(jià)，技術(shù)成熟優(yōu)點(diǎn)高倍率放電性好，耐充放電能力強(qiáng)，壽命長，高溫安全性好能量密度高，平均輸出電壓高，輸出功率大，自放電小，無記憶效應(yīng)，可快充，壽命長缺點(diǎn)比能量低，壽命短，耐過充放差，污染環(huán)境能量密度高，壽命長，自放電率低，安全性好不易燃燒，不需串連可制成大電池，不需使用傳統(tǒng)隔膜材料比能量高，能量轉(zhuǎn)換率高，性能穩(wěn)定，安全性好，環(huán)保自放電率高 成本高，須保護(hù)電路防止過充放，熱不穩(wěn)定性，可發(fā)生燃爆，安全性低成本高，弱低溫性能 成本很高，壽命短，電流小，技術(shù)不成熟，比功率小，難充電

第三，成品率低、批次間穩(wěn)定性差是制約成本下降的關(guān)鍵因素。

第四，充電站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)依賴于國家政策的推動(dòng)，汽車企業(yè)不具備獨(dú)立參與電力投資的資質(zhì)，在未來由汽車廠、電網(wǎng)公司、中石油、中石化、電池廠及投資公司共同組成的產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體，有可能解決充電站或電池交換站這一發(fā)展瓶頸。

第五，安全性仍有一定隱患，聚合物鋰電池是未來方向之一。鋰離子電池使用易燃的有機(jī)溶劑作為電解液，在電池遭到破壞后，有機(jī)溶劑及其蒸汽容易發(fā)生漏液、著火甚至爆炸，它是鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故的主要原因之一。此外，鋰離子電池的安全隱患還包括電極材料與電解液之間的熱穩(wěn)定性。聚合物鋰電池采用固體電解質(zhì)，使安全性問題有一定程度解決。

二、鋰離子電池技術(shù)發(fā)展分析

⒈日本鋰離子電池技術(shù)發(fā)展分析

據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）數(shù)據(jù)顯示，日本鋰離子電池生產(chǎn)總值呈上升趨勢。2008年生產(chǎn)總值約是1995年的10倍（見圖2）。；2009年日本電池生產(chǎn)總量為434萬單位（件），生產(chǎn)總值高達(dá)6341億日元（約490.59億人民幣）；電池生產(chǎn)總量中，二次電池占34%，鋰離子電池占23%；電池生產(chǎn)總值中，二次電池占83%，鋰離子電池占比高達(dá)43%。即可知，在生產(chǎn)容量為23%的鋰離子電池中，生產(chǎn)總值卻高達(dá)43%，足見鋰離子電池作為新興產(chǎn)業(yè)的價(jià)值所在。日本主要為電池出口國，進(jìn)口相對較少。

表2 日本近5年電池出口額比較

由表2可知，日本出口電池中，鋰離子電池逐年上升，2008年出口生產(chǎn)總值約比2005年增長50%，出口生產(chǎn)總量增長近五分之二；且2009年鋰離子電池出口生產(chǎn)值占日本當(dāng)年電池出口總值的約70%,在金融危機(jī)席卷全球的2009年，日本電池出口量下降，但鋰離子電池仍占重要地位；日本一次電池與二次電池近5年來生產(chǎn)總量相當(dāng)，但生產(chǎn)總值相差較大，二次電池價(jià)值約是一次電池的10倍。

⒉鋰離子電池專利分析——美國公開數(shù)據(jù)庫

通過美國專利與商標(biāo)局公開數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站檢索鋰離子電池專利，共得到693件專利。從2001年至2010年歷年專利申請量大致呈上升趨勢（2010年申請數(shù)據(jù)不全），2009年更是逆勢上揚(yáng)，相比2008年同比增長約40%。專利申請發(fā)明人中，日本最多為264件，其次為韓國183件，美國79件，中國55件。

三、美國和日本電動(dòng)汽車扶持政策分析

⒈美國電動(dòng)汽車扶持政策

⑴購車補(bǔ)貼與貸款

《1992年能源政策法案》指出，購買新型電動(dòng)汽車可一次性得到聯(lián)邦稅收抵免，抵免額相當(dāng)于整車價(jià)格的10%，但不能超過4000美元?！?004年工作家庭稅收減免法案》將此條法令延長至2007年。

2006年，銀行可為汽—電混合汽車、插入式電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車提供貸款。

⑵運(yùn)輸電氣化示范與部署項(xiàng)目

2009年3月，作為《美國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和再投資法案》的一部分，美國能源部公開發(fā)行20億美元聯(lián)邦債券，此資金用于獎(jiǎng)勵(lì)電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)和組件，同時(shí)發(fā)展充電站示范和部署項(xiàng)目，其中電池?fù)芸顚⒅С窒冗M(jìn)的鋰離子電池和混合動(dòng)力電子系統(tǒng)，電池?fù)芸顚⒘硗?億美元支持一項(xiàng)替代燃料汽車試點(diǎn)撥款項(xiàng)目，另外3億美元將支持能效設(shè)備。此項(xiàng)目有助于推動(dòng)奧巴馬2015年美國具有100萬輛插入式混合電動(dòng)汽車的目標(biāo)。

美國清潔能源和安全法案（ACES），2009年5月通過，支持范圍擴(kuò)展至電動(dòng)汽車。該法案要求所有電力公司設(shè)立發(fā)展計(jì)劃，以支持插入式電動(dòng)汽車，包括重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。該法案還規(guī)定了“智能電網(wǎng)一體化”能有效地容納電力插入式電動(dòng)車額外電力需求。最后，該法案允許美國能源部提供資金支持的項(xiàng)目，電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

⑶國稅優(yōu)惠政策

2008年美國國會眾議院通過立法，購買電動(dòng)汽車稅收抵免范圍為2500美元～7500美元，變化范圍根據(jù)電池容量決定。購買雪佛蘭和特斯拉電動(dòng)汽車可得到7500美元稅收抵免。此項(xiàng)立法適用于每個(gè)廠家銷售的前25萬輛電動(dòng)汽車。2009年1月起，此項(xiàng)立法可用于特斯拉純電動(dòng)汽車。插入式混合電動(dòng)汽車和其他電動(dòng)汽車也將在未來幾年得到稅收減免。

⑷《可再生能源稅收抵免政策》更新

《可再生能源稅收抵免政策》于2010年1月到期，《美國復(fù)蘇與再投資法案》將此政策延長至2013年1月。此外，允許企業(yè)選擇一種30%的投資賦稅抵免來替代生產(chǎn)稅收抵免，并可選擇津貼來替代稅收抵免。

⑸撥款支持電動(dòng)汽車技術(shù)的研究開發(fā)

2009年8月，奧巴馬總統(tǒng)宣布從7870億美元經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃中撥款24億美元補(bǔ)貼新型電動(dòng)汽車的研發(fā)，其中15億美元用于生產(chǎn)電池和零部件的制造商，5億美元用于生產(chǎn)電動(dòng)汽車的其他組件，比如電動(dòng)馬達(dá)等，4億美元用于屁股插入式混合電動(dòng)汽車和其他電力基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，比如充電站、電動(dòng)火車和建設(shè)電動(dòng)汽車技術(shù)人員的培訓(xùn)等。旨在提升美國汽車制造商在國內(nèi)電動(dòng)車行業(yè)的地位，并創(chuàng)造新的綠色崗位，減輕就業(yè)壓力。

⒉日本電動(dòng)汽車扶持政策

從世界范圍電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀看，日本是最早開始發(fā)展電動(dòng)汽車的國家之一。日本國土狹小，石油資源匱乏，幾乎完全依賴進(jìn)口，油價(jià)很高。同時(shí)，日本工業(yè)發(fā)達(dá)，人口密度很大，城市污染嚴(yán)重。因此，日本政府特別重視電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)。

⑴購車補(bǔ)貼

1996年，政府（通產(chǎn)省MITI）頒布《日本電動(dòng)汽車購車補(bǔ)助手冊》，對于購買電動(dòng)汽車，給予純電動(dòng)汽車EV、混合動(dòng)力汽車HEV與普通燃油汽車差價(jià)50%以內(nèi)的補(bǔ)貼，該項(xiàng)政策的具體宣傳、落實(shí)由日本電動(dòng)車輛協(xié)會負(fù)責(zé)。自1998年開始，由日本環(huán)境廳提供給地方政府和私人企業(yè)的另一項(xiàng)電動(dòng)汽車購買津貼的補(bǔ)貼額，分別達(dá)到了車輛成本的50%和25%。

⑵低污染車輛引進(jìn)補(bǔ)助項(xiàng)目

從1996年起，對特定地區(qū)批量購買低公害車的地方公共團(tuán)體，提供與通常車輛差價(jià)1/2補(bǔ)貼。由環(huán)境省負(fù)責(zé)具體實(shí)施。對于地方公共團(tuán)體(地方政府)購買作為大氣環(huán)境巡邏車的低公害車提供補(bǔ)助。位于重點(diǎn)污染監(jiān)控計(jì)劃實(shí)施地區(qū)的，補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)車價(jià)1/2資金；其他非重點(diǎn)地區(qū)，補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)車價(jià)的1/3資金。由“污染被害補(bǔ)償預(yù)防協(xié)會”具體操作低公害車購車補(bǔ)貼。對一些地方公共團(tuán)體購買在法定特殊區(qū)域內(nèi)使用的低公害車，補(bǔ)貼部分經(jīng)費(fèi)。

⑶汽車購置稅優(yōu)惠政策

購買新能源汽車（包括電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車等）可享受購置稅減免，其中電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、甲醇汽車、混合貨車和公交車可享受購置稅2.7%的優(yōu)惠，混合客車可享受購置稅2.2%的優(yōu)惠，高效率燃料車可享受30萬日元的購置稅減免。比如私人購買電動(dòng)汽車可享受2.3%～5%的購置稅減免，商業(yè)實(shí)用的混合客車可享受0.8%～3%的購置稅減免。

⑷商業(yè)稅優(yōu)惠政策

購買商業(yè)使用的新能源汽車，可享受第一年30%的商業(yè)稅減免；建立天然氣與甲醇汽車的供油設(shè)施可享受70%的商業(yè)稅減免（企業(yè)資本大于1億日元），此政策2002年4月到期。

⑸固定資產(chǎn)稅和特別土地所有稅減免

建立電動(dòng)汽車、天然氣汽車和甲醇汽車供油設(shè)施，可減免三分之二新建加油站固定資產(chǎn)稅（200萬日元以上加油站），可免除特別土地所有稅。

⑹推廣電動(dòng)汽車公共快速充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

2010年3月，在日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的領(lǐng)導(dǎo)下，富士重工、三菱汽車、東京電力、尼桑和豐田公司共同建立了CHAdeMO協(xié)議會，以推進(jìn)電動(dòng)汽車快速充電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。該組織提出了普及電動(dòng)汽車的新思路，即在高性能電池技術(shù)難度大、成本高，難以快速普及的情況下，通過合理布局公共快速充電系統(tǒng)可以有效推進(jìn)電動(dòng)汽車普及。

四、新能源電動(dòng)汽車發(fā)展對策分析

新能源汽車“新”就“新”在動(dòng)力系統(tǒng)，而動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵就是動(dòng)力電池?？春脛?dòng)力電池行業(yè)基于三點(diǎn)：第一，在產(chǎn)業(yè)化初期，先進(jìn)的動(dòng)力電池廠商，必將成為汽車廠商爭奪的焦點(diǎn)；第二，動(dòng)力電池是新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)最核心，產(chǎn)業(yè)鏈利潤最豐厚的一環(huán)；根據(jù)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL在2008年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前新能源車成本構(gòu)成中，動(dòng)力電池占混合電動(dòng)汽車成本的26%，略低于發(fā)動(dòng)機(jī)；在插電式混合動(dòng)力汽車PHEV20（即充一次電可跑20公里）中，電池成本占39%，而在PHEV40中，電池成本達(dá)到了汽車成本的51%，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)動(dòng)機(jī)。可以想見，未來純電動(dòng)車的成本構(gòu)成中，動(dòng)力電池有可能高達(dá)60%。第三，動(dòng)力電池市場空間巨大，未來幾年將保持十幾倍的增長。發(fā)展新能源電動(dòng)汽車建議：

⒈技術(shù)突破，推動(dòng)更強(qiáng)大的動(dòng)力電池研發(fā)

加大對企業(yè)、研究院所和高校等的支持，發(fā)展電動(dòng)汽車向更長的壽命、更遠(yuǎn)的續(xù)航里程、更快速的充電、更輕的質(zhì)量、更低的成本、更完善的售后服務(wù)以及更安全的保障等發(fā)展。

⒉建設(shè)更便利的充電網(wǎng)絡(luò)

由汽車廠、電網(wǎng)公司、中石油、中石化、電池廠及投資公司共同組成產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體，在加油站、電力公司、政府部門、汽車經(jīng)銷商、商場、超市、停車場等區(qū)域大規(guī)模建立充電站或電池交換站，利用波谷充電來解決充電瓶頸，改變消費(fèi)者習(xí)慣。

⒊建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和產(chǎn)業(yè)集聚地，加大產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

要建立汽車廠商、電池廠商、科研院校之間的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，集中力量解決關(guān)鍵技術(shù)突破（如電池管理系統(tǒng)必須要電池廠商和汽車廠商共同研究完成），實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵總成的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。