電動汽車電池發(fā)展探討

彭宇星

摘要

電動汽車取代燃油汽車是大勢所趨，現(xiàn)行方式還有需要改進的地方，可采用燃料電池、共享電池等方式予以改進。

【關(guān)鍵詞】汽車 弊端 優(yōu)點 瓶頸 設(shè)想

近年來，電動汽車一直是整個社會的熱點話題、熱點產(chǎn)業(yè)，受到全社會的廣泛關(guān)注，各路資本競相進入電動汽車產(chǎn)業(yè)，一個嶄新的行業(yè)呼之欲出。但數(shù)年過去了，電動汽車產(chǎn)業(yè)始終沒有大的起色，這說明電動汽車產(chǎn)業(yè)還有瓶頸需要突破，還需要人們繼續(xù)拓展思維、革新技術(shù)。

1 傳統(tǒng)汽車的弊端

汽車是機械、電氣、材料等多學(xué)科融合發(fā)展的產(chǎn)物，是工業(yè)文明的重要碩果之一。汽車的出現(xiàn)和普及將人類社會從畜力時代帶入了機械時代，大大降低了運輸成本和路途時間，促進了各地人民的交往，大大提升了人民的生活幸福感。

曾幾何時，我們稱美國“車輪上的國家”，截止2017年6月底，我國機動車保有量達3.04億輛，也成為名副其實的車輪上的國家。我國傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，也存在一系列問題：

1.1 嚴(yán)重的環(huán)境污染

根據(jù)《中國機動車環(huán)境管理年報（2017）》，北京、上海、杭州等城市PM2.5的首要來源就是汽車，汽車還是大氣中一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔锏闹匾獊碓础?/p>

1.2 化石能源供應(yīng)壓力

全球范圍來看，化石能源是不可再生的能源，頁巖油、頁巖氣等開采技術(shù)的出現(xiàn)也只是延緩了其枯竭時間。我國已成為原油凈進口國，2016年全年進口達原油3.81億噸、增長13.6%，能源安全是政府和社會高度關(guān)注的話題。

1.3 缺乏核心技術(shù)

雖然汽車產(chǎn)銷量很大，但我國并不掌握以燃油發(fā)動機為代表的核心技術(shù)，在產(chǎn)業(yè)鏈上居于弱勢地位。

2 發(fā)展電動汽車的優(yōu)點

電動汽車，是指以車載電源為能源、電機驅(qū)動的汽車?；谇笆鲆蛩?，電動汽車受到了廣泛關(guān)注。對我國來說，電動汽車的優(yōu)點主要是：

2.1 降低環(huán)境污染

對于儲能電動汽車，其污染主要在電池生產(chǎn)及回收階段，使用階段沒有污染；對于燃料電池電動汽車，其使用階段排放也大大低于傳統(tǒng)汽車。

2.2 消納清潔電力

水電、風(fēng)電、太陽能是可持續(xù)使用的清潔能源，但這些能源發(fā)出的電力，要么因為發(fā)電時點處于用電低谷（如深夜的風(fēng)電），要么是電站遠離用戶無法消納，基于電動汽車的特點，這些寶貴的能源將可能得以利用。

2.3 負(fù)荷調(diào)峰

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷日益呈現(xiàn)出明顯的峰谷特性，而且越是發(fā)達地區(qū)，峰谷特性越明顯，如果出臺合理的政策引導(dǎo)用戶低谷充電，就可能改變電網(wǎng)負(fù)荷特征。

2.4 培育新的增長點

電動汽車是一個嶄新的行業(yè)，我國與國際水平差距不大，這就為我國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了彎道超車的機會，電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近年來針對汽車產(chǎn)業(yè)，我國陸續(xù)出臺了一系列政策，概括起來就是限制傳統(tǒng)汽車一一原則上不再核準(zhǔn)以下新建傳統(tǒng)燃油汽車企業(yè)投資項目，扶持電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展一一包括購置補貼、限號行駛區(qū)域不受限制等，可以說是電動汽車是得到了政策的重點眷顧。

3 電動汽車電池發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)電動汽車都是采用蓄電池作為車載能源，除部分老年代步車采用鉛酸蓄電池作為能源外，上牌的電動汽車都采用鋰電池作為車載能源。

鋰電池以炭或類碳材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，可反復(fù)充放電使用。根據(jù)正極材料的不同，鋰離子電池可分為鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元材料電池、錳酸鋰電池。

鈷酸鋰電池最為成熟，電池比容量高、綜合性能突出，但全球鈷儲量有限、價格昂貴、毒性大，作為正極材料電池成本較高。同時其安全性差，在高溫、擠壓等條件下極易爆炸，鈷酸鋰電池主要應(yīng)用于手機、筆記本電腦等消費電子產(chǎn)品和測試儀表中，不適合電動汽車使用。

錳酸鋰電池的優(yōu)點是錳資源豐富，比較容易制備，價格便宜，安全性高，倍率性能好，電池一致性好，電池生產(chǎn)線與鈷酸鋰電池兼容。缺點是高溫性能及循環(huán)性能不佳，材料在電解質(zhì)中會緩慢溶解。錳酸鋰電池不是我國的主導(dǎo)類型，沒有形成較大的產(chǎn)業(yè)集群。

磷酸鐵鋰電池，又叫磷酸亞鐵鋰電池或鐵鋰電池，正極材料采用碳包覆的磷酸亞鐵鋰，是國內(nèi)的主導(dǎo)鋰電池類型，產(chǎn)業(yè)鏈較為完善。其主要優(yōu)點是：

（1）支持高倍率長時間穩(wěn)定放電、大電流充電。

（2）耐高溫，環(huán)境溫度達45℃時，電池壽命幾乎不受影響。

（3）不含鋰以外的重金屬或者稀有金屬，無毒。

主要缺點是：

（1）低溫性能較差，低于-10℃時容量大幅下降，溫度更低時形成的鋰枝晶甚至可能引起電池短路，存在較大的安全隱患。

（2）電池單體性能良好，成組后電壓、容量不均衡，性能較差的電池放電末期出現(xiàn)反極損壞，進而可能造成整組電池依次損壞。

三元聚合物鋰電池正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料。三元材料的優(yōu)點是安全性能較好、電壓良好耐受性，高克容量，鈷含量少、價格較為適中，缺點是合成困難，充放電效率較低，和電解液相容性和安全性差，鈷、鎳是稀有金屬，材料易受價格波動影響。

從性能來看，磷酸鐵鋰電池更為穩(wěn)定、體積相對緊湊且循環(huán)壽命長，電池管理系統(tǒng)不需要過于復(fù)雜，因此降低了整車成本。然而，磷酸鐵鋰電池的能量密度已經(jīng)要達到極限，今年以來，三元材料電池正逐漸成為電池企業(yè)和車企青睞的對象。

4 電動汽車發(fā)展瓶頸

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2017年上半年，全國汽車產(chǎn)銷1352.58萬輛和1335.39萬輛，其中新能源汽車產(chǎn)銷分別完成21.2萬輛和19.5萬輛，占比仍然非常小。導(dǎo)致電動汽車發(fā)展緩慢的主要因素都與電池有關(guān)，概括起來有以下幾點：

4.1 充電困難

充電困難的主要原因是充電設(shè)施建設(shè)滯后，雖然國家先后出臺了很多推動充電設(shè)施建設(shè)的文件，但是充電設(shè)施數(shù)量仍然非常少，遠遠沒有達到支撐電動汽車正常使用的便利程度。

4.2 充電時間長

標(biāo)準(zhǔn)慢充一般需要6小時?8小時，快充（快速充到80%容量）也需要0.5小時，遠遠高于燃油汽車加油的幾分鐘，并且快充對電池壽命是不利的。

4.3 行駛里程短

燃油汽車一箱油可行駛500km，目前電動汽車僅有特斯拉等少數(shù)車型可以充滿電可以達到這個里程數(shù)，多數(shù)車型還是只能達到100km?200km，在電池性能下降后行駛里程還將減少。

5 電動汽車發(fā)展設(shè)想

基于目前電動汽車發(fā)展遇到的問題，對未來電動汽車電池發(fā)展的設(shè)想主要有兩個方面：

5.1 采用燃料電池作為動力

燃料電池，是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。從外表上看燃料電池有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”，而是一個“發(fā)電廠”，是用靜態(tài)氧化-還原反應(yīng)取代動態(tài)的發(fā)動機燃燒。燃料電池主要有質(zhì)子交換膜電池、熔融碳酸鹽電池、固態(tài)氧化物電池等幾種類型。質(zhì)子交換膜電池是目前的主流型號，該型電池燃料為氫氣，氧化劑為氧氣或空氣，發(fā)生反應(yīng)物為水。

相較燃油發(fā)電機，燃料電池的主要優(yōu)點是：

（1）能量轉(zhuǎn)化效率高。燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，沒有燃燒過程，不受卡諾循環(huán)的限制，最高轉(zhuǎn)換效率可達83%，比內(nèi)燃機要高2?3倍。

（2）環(huán)境有害物排放少。無機械振動，有害氣體、噪音排放低。

（3）可靠性高。燃料電池的基本原理非常簡單，除了少數(shù)運動部件外，它的可靠性和持久性都很高。

燃料電池汽車節(jié)能環(huán)保，又具有燃油汽車補充能源方便的優(yōu)點，應(yīng)該成為未來電動汽車的重點發(fā)展方向之一。燃料電池汽車已在上海世博園等地試點使用。

采用氫氣作為能源使用方式上非常接近于燃油汽車，也就克服了儲能電動汽車充電難等一系列問題。氫氣的制備主要有利用化石燃料制氫、電解水制氫、生物制氫等幾種方式，作為可持續(xù)發(fā)展的電動汽車產(chǎn)業(yè)，應(yīng)采用電解水制氫方式，可以采用在深夜、豐水期、遠離負(fù)荷的新能源發(fā)電站等過剩電量電解水儲存氫氣，有效利用綠色能源。

5.2 采用共享電池模式

共享經(jīng)濟是當(dāng)下非常熱門的一個話題，共享單車、共享充電寶等共享概念層出不窮。將共享概念應(yīng)用到電動汽車上，對電動汽車使用的電池進行標(biāo)準(zhǔn)化，精簡到少數(shù)幾個型號，由電池運營商在全國投資建立類似于加油站的電池更換站，廣大電動汽車用戶作為電池租用方，在電池電量用完之后只需到電池站更換一組電池即可，電池的采購、充電、維護都由專業(yè)電池運營商負(fù)責(zé)。電池運營商出于資本逐利的特性，一定會千方百計采用壽命長、重量輕、受到客戶青睞的電池，也一定會使用低價風(fēng)電、低谷電量等低成本的電能充電。同時，電池集中到少數(shù)幾家運營商也非常有利于廢舊電池的回收利用。

參考文獻

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