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动力电池应用杂谈新能源及新能源汽车作为国家“十二五”战略性新兴产业，在政府的强力支持和各科研单位及企业的共同努力下，产业得到了飞速的发展，产业规模也不断扩大。! u9 _8 z: i8 I+ j; $ Q& f5 A1 x9 j 动力电池作为新能源汽车的核心部件，其性能好坏是决定新能源汽车能否发展的关键。锂离子电池是当今国际公认的最合适的化学能源，已成为新能源汽车动力电池的首选。随着全球新能源汽车产业的快速发展，对动力锂离子电池的需求将呈现爆发式增长的趋势。但与此不相适应的是动力电池在能量密度、安全性、循环寿命、高低温性能、快速充电等方面都与市场期盼存在较大差距。8 A1 m3 r. U* Q7 S7 h6 ( 【一】 f( E4 4 g* n5 1 F EU - y7 _6 Y9 Q4 Q/ Y$ _& q 能量密度低 X+ O- J- ; U( 7 H7 l+ d2 e3 % Z$ x 动力电池能量密度的高低是电动汽车续航里程长短的重要参数。新能源汽车要进入寻常百姓家中，续航里程是老百姓考虑的第一要素。电动汽车续航里程的终极目标，是要达到或者超越传统燃油汽车。近些年来，各国科学家积极探索，对现有的锂离子电池能量密度进行了不断的提升，但是由于材料本身的化学特性，提升力度有限。科学家也在尝试其他新电池材料，例如锂空气电池、锌空电池、液流电池、燃料电池等等，虽然取得了一定的研发成果，但是距离商业化、批量化还有很长的路要走。目前来看，锂离子电池的能量密度要达到传统燃油的能量密度，仍是一个较为遥远的梦想。# 4 f8 Q* ( c , |3 ?7 U0 T, u5 v; w 当前来看，汽车动力电池对能量密度的基本要求为100160Wh/Kg，越高越好。为了解决能量密度低的问题，对电动汽车的设计提出了轻量化的要求。当前全球电动汽车的领跑者美国TeslaModel S，在设计上考虑了汽车轻量化的要求。和普通汽车相比，Tesla Model S省去了汽油机、油箱、变速箱、传动轴等等，这让车身结构变得空前简洁，几乎就分底盘、车身两个部分。其轮胎和电动机几乎融为一体，而整个底盘由电池组成，电池和框架紧密结合，刚性很好很强大。(图1、图2)1 g+ k! k4 N/ K1 M+ i 7 Q4 h2 k2 * T9 K6 & O0 W 【二】0 X* x, P k# G& Pj; P$ w% k+ Q9 X( ( / m7 k 安全性能有待提高5 _ 9 X 3 n% z- v; e% PV 9 b& k3 r q 3 n 电动汽车对动力电池安全性能的最低要求是一般情况下不能起火，任何情况下不能爆炸。满足认证要求，安全性主要从以下两方面来讲述：9 p$ z+ M/ K; U1 b6 q- a+ J/ w2 3 ; s H S) c; a 1、电池一致性问题# I5 A% U8 L) p4 . R3 e1 Z1 * z8 I/ a j4 H! D& 7 f 众所周知，锂离子电池的一致性是目前难以解决的一个技术难题。电动汽车对动力电池安全性的要求几乎达到苛刻的地步，传统的手工操作难以满足电池对一致性的要求，取而代之的是现代化的自动线和流水线作业。然而自动化生产带来的另一个弊端就是，一旦某个工序或者细节出现了问题，机器或者流水线是难以识别出来的。可喜的是，我们看到某些工序的自动化程度和设备精度越来越高，例如涂布、卷绕、封装、注液工序，日韩在这方面的技术领跑世界。6 U; C* k/ b# u7 _4 i* h: t* 1 k6 ?1 / p! _$ j 同样，在PACK成组后，也同样存在一致性的问题。PACK由模组组成，模组由电芯通过串并联完成。电芯的制造工艺相对成熟，而PACK的成组工艺，现在全球几乎都没有一个绝对的标杆经验可以让大家学习，企业均在探索中发展、在摸索中前进。动力电池有三种形状，圆柱、方形钢壳、软包，如何将这些电池的连接工艺做到一致性，比较艰难。电动汽车的领跑者Tesla Model S85kWh版本，由7000个电芯组成，电芯的具体型号是松下NCR-18650A型(3.7V，3100mAh)。如何将这7000个电芯按一致的工艺连接在一起，是一个挑战。把数千个电池管理好了可不简单，电池的一致性、输出、充电等都需要精细的管理，而这套管理系统也正是Tesla的核心技术之一。* Q8 n& t6 n+ - r, a ( tW1 U! j7 I! G. R3 _3 A# 6 2、电池微短路, b; K7 8 v! L6 N ! q1 k. X+ z$ N+ n& S9 Z 电池微短路是电池行业另一个难以解决的技术难题。难点在电池做好后，微短路看不见、摸不着、测不到，在消费者手上经过长期的负载或者真实工况运行后，“微短路”变成了“真短路”。近几年的笔记本电池燃烧、手机电池燃烧、电动车轰动一时的几起燃烧事件，均是电池燃烧爆炸或者起火，原因就是电池短路。- J) b5 q- U, l9 l/ 7 F- 0 Y7 w* f) C! _- B- n% 4 i* i 微短路的控制和预防，制造过程的细节尤为重要。锂离子电池的三大杀手为“水分、粉尘、极片批峰毛刺”。细节决定成败，例如在卷绕过程中，员工口罩没有戴到位，一滴细小口水溅到极片上，就可能造成电池鼓胀；员工穿戴没有到位，一个头皮屑掉到了到极片上，就会造成微短路；交接班时，注液房人数超标，口腔呼出的气也会造成水分超标。 _5 I. c2 h% Z3 J& J( mK0 y1 l4 W% _: q: u, v+ g& A5 X+ Z 国内锂电池的领先企业ATL公司曾经提出，在2012年彻底解决电池的微短路问题。虽然许多专家做出了不懈的努力，但是完全杜绝还需要时间。# s9 N. W6 z& k1 ( N* P* y9 R + |, M; C* D! j& T+ 【三】( sd. U0 D! j& |! Z7 W Y 5 k, l3 k0 st1 K6 E | 循环寿命不能满足需求7 w z4 d/ |0 R, A; |( C1 z2 e3 W/ 9 o( z2 I 作为消费者，如果电动车的电池用23年就报废了，或者用了半年或者1年电池电量就衰减太多，那是难以接受的。电动汽车对动力电池循环寿命的要求是3000次以上循环寿命，1015年的使用寿命。无论在高温或者低温下，要求电池的内阻变化要非常小，从而保证电池的长期循环寿命。循环寿命的长短，本质上还是由电池的材料特性所决定，其次为制造过程中的控制，避免微短路，正确的使用和充放电。纵观现在电动汽车的电池，都难以达到。2 W3 Z: D. U) q |7 J- l4 K5 q; . G, O4 H# o, + L 【四】 v- t/ n) P0 p3 % G- K; ( p- G8 u) g( 高低温性能较差$ f2 h4 Z- E$ 7 D! - v5 n1 V9 ) p$ U _! p 在北方严寒的冬季，很多电动车就“冬眠”了，所以良好的高低温特性也是动力电池一个主要的技术指标。-30-60良好的输出性能能够满足车用动力电池的使用要求，我们要求在-30低温下放电容量至少大于85%才可，各种不同的材料温度特性不同，不同的温度对于电池的放电容量也不同，材料特性决定了电池的温度特性。3 f* h0 Y1 7 g) 4 / h- U 6 M. j* W3 ) G; T: n3 P# z. P 在电动汽车上面，设计的考虑对PACK进行良好的加热(低温时)和冷却(高温时)是必须的，传统的水冷、风冷是基本的方法，目前有一种新技术为油冷法，值得大家推敲和研究。3 G |2 l4 i& O4 K% 9 1 r# q, y$ K6 a6 ; D| 【五】5 l7 r6 N$ p. 4 N3 ; o, C ( v ?u& J( E& U快速充电能力低, t7 I3 k A( Q4 Q. / q q7 d- V, T* u& W* J; C, u4 $ Z# W传统汽车加油只需要几分钟，而电动汽车目前不能做到几分钟就充满电，但是至少要具备2030分钟的快速充电能力，目前的技术仍难以达到。2 o: e+ G2 h$ H. d8 k6 0 o7 B1 z1 S3 a 电动汽车的快换模式，是解决充电时间短的一个“临时”办法，快换可以做到和加油一样，几分钟即可完成，但是，快换的巨额资金投入、对电池的平台化、模块化、以及标准化的要求都很高，不能从本质上解决问题。, u7 Y! J) + S # F# M2 s V( B, v4 u- V* N 有一种材料，无论从安全性、循环寿命、高低温性能、充电时间，都可以超越现在的几种材料，那就是LTO(钛酸锂)： LTO的材料本身具有本质安全性，电池公司很担心电池着火或者爆炸，但是锂钛氧化物没有锂的危险性高；LTO有很长的生命周期.对传统锂电池来说几千个循环就已经不错了，但是对于LTO，循环寿命是传统锂电的十倍；LTO还有非常好的高温、低温的性能， LTO材料非常稳定，低温即使零下30下可以充到40%充电量，这个车可以在任何寒冷环境下使用；另外LTO还可以实现真正意义的快充，十几分钟就可以充满电的80%以上。) 2 y9 - r- q4 J O M$ H5 8 w 但是LTO的能量密度较小，大概只是传统锂电池的50%60%能量的密度，电压也低，加上近期政府新补贴方案确定后，对于LTO的纯电动客车发展不利，LTO的纯电动客车至少配置80度电，电池成本在70万左右，而新政的补贴只能拿到15万，企业将难以生存。; S8 m( 2 # A, k$ , P 6 d0 n( s2 g8 D- A: QS 【六】3 _0 c, H6 L/ p: t7 ?5 E5 M% c: L1 J; z检测标准和评价体系不完善( E3 - t& F+ u ?$ w! D 3 T7 6 2 M5 % ) t3 _! n% v国家863电动车重大专项动力电池测试中心王子冬主任曾经在一次行业会议上指出，中国的动力电池缺乏评价体系。我们现在有QC/T743-2006标准，该标准规定了电动汽车用动力电池的要求、试验方法、检验规范、标志、包装、运输和存储，但这个标准已经出现“过时”，急需进一步完善。& Y6 V3 w) Q% 0 I# g. h, I7 V- B2 S2 V 国家标准来源于企业标准，而企业标准没有创新，过度依赖于国家标准，导致针对动力电池的整个评价体系不完善。而在新能源汽车示范和推广过程中，检测标准和评价体系的建立、电动汽车的市场定位和商业推广、充电设施的建设及最终产品的性价比也对电动汽车和锂离子电池产业发展具有决定性的影响。) B0 ?5 2 t6 m! L) A/ n- V 4 $ j9 Y. d z2 i! t7 g& E8 | 尽管电动汽车发展之路坎坷，但其发展方向和目标不会改变，新能源的道路也会一直走下去。首先电动汽车的市场定位很重要。城市公交系统可以说是最适合推广的市场了，这个已经被广大车企和动力电池企业达成共识。其次，小型车市场应该是最有可能的。类似TeslaModel S电动车走高端路线，其高昂的价格在国内复制的成功几率不大。反而是如Smart类的小型车电动化还是有前景的。时尚、充满科技概念的小型电动车，走都市青年的路线是比较好的选择。小型车纯电化的好处在于能耗经济性比较好，同时电池不必做的太大，整车价格不至于太高，另外就是充电设施的建设问题，需要逐步的建设和普及。最后，对于消费者而言，性价比才是王道。. a. C5 6 X! I) K0 OO; C# u) ?& C8 g% Q8 这个性价比既包含购置、使用、维护的成本，同时也有准入的问题。以北京为例，如果有外形新潮、性能合适、补贴后十万左右的小车，在现在摇号几率渺茫的情况下，还是会有不少人心动的。( Xd j& y, _) Q w1 Q* a6 d, m7 b; Y 中国的锂电池技术，与日韩等发达国家的技术相比，还是有较大的差距。国内很多锂电池企业，简单抄袭和沿用国外的技术，过于注重追求利润，技术没有创新，从业人员的素质偏低，工艺较为落后，长期如此是不能长远发展的。4 i- p1 _6 i, j6 M/ Z8 n$ w, b8 C( 4 F0 |2 W) z! ; F