正極材料成瓶頸 動(dòng)力鋰電發(fā)展“動(dòng)力不足”

 　　美國(guó)電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)特斯拉發(fā)布第一季度財(cái)報(bào)稱，公司成立10來(lái)年首次實(shí)現(xiàn)了季度贏利。但就整體低迷的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)而言，特斯拉只是近年來(lái)少有的亮麗風(fēng)景，動(dòng)力鋰電仍是發(fā)展電動(dòng)汽車的最大困擾。那么，動(dòng)力鋰電從提出到實(shí)踐、再到產(chǎn)業(yè)化已超過(guò)20年時(shí)間，到目前為何還是”動(dòng)力不足”?其根源在哪里?深入分析這些問(wèn)題，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)動(dòng)力鋰電產(chǎn)業(yè)以及電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展具有重要意義。

　　動(dòng)力鋰電是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的核心因素

　　電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程已由當(dāng)初的不到100公里增長(zhǎng)至當(dāng)前主流的300公里。

　　盡管世界各國(guó)都高度重視電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，并以稅收優(yōu)惠、購(gòu)車補(bǔ)貼、貸款支持等政策大力扶持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而，消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)此卻反應(yīng)冷淡。到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家的電動(dòng)汽車保有量能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。以美國(guó)為例，2012年，電動(dòng)汽車銷量約5.3萬(wàn)輛，與2011年的1.75萬(wàn)輛相比增速迅猛，但與美國(guó)汽車市場(chǎng)高達(dá)1449萬(wàn)輛的總銷量相比，電動(dòng)汽車占比還不到0.5%。2013年電動(dòng)汽車保有量將突破10萬(wàn)輛，但與2015年100萬(wàn)輛的目標(biāo)相距還很遙遠(yuǎn)。消費(fèi)市場(chǎng)的疲軟直接導(dǎo)致了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。影響電動(dòng)汽車銷售的三大重要因素全都與作為動(dòng)力來(lái)源的動(dòng)力鋰電相關(guān)。

　　(一)續(xù)航里程短限制了電動(dòng)汽車的推廣范圍

　　隨著技術(shù)的不斷成熟，動(dòng)力鋰電的性能不斷提升。以動(dòng)力鋰電作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程已由當(dāng)初的不到100公里增長(zhǎng)至當(dāng)前主流的300公里左右，個(gè)別車型的續(xù)航里程突破了400公里。但與當(dāng)前燃油汽車的主流行駛里程500公里相比還有一定差距。另外，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的增加，除技術(shù)進(jìn)步之外，還有一個(gè)不可忽視的因素就是動(dòng)力鋰電的數(shù)量增加。在延長(zhǎng)續(xù)航里程的同時(shí)，也附加了不菲的代價(jià)：一是電動(dòng)汽車整車重量大幅增重;二是電動(dòng)汽車成本增加;三是電動(dòng)汽車安全性降低。

　　(二)充電速度慢制約了電動(dòng)汽車的便捷使用

　　行駛里程短可以通過(guò)大范圍、密集的充電設(shè)施予以解決，但動(dòng)力鋰電充電較慢是電動(dòng)汽車發(fā)展更大的制約。在正常速度下，電動(dòng)汽車的動(dòng)力鋰電完全充滿需要4～8小時(shí)。如果加快速度，可以在1～2小時(shí)內(nèi)充滿，但會(huì)影響動(dòng)力鋰電的性能及壽命。有實(shí)驗(yàn)證明，如果一直采用快速充電，動(dòng)力鋰電的壽命會(huì)驟減至原來(lái)的1/3，且電池性能會(huì)顯著下滑，安全事故發(fā)生概率也將大大增加。燃油汽車則不存在這些問(wèn)題，加油時(shí)間不超過(guò)5分鐘，安全性和穩(wěn)定性都能得到保證。

　　(三)安全事故頻發(fā)極大影響了消費(fèi)者的購(gòu)買熱情

　　自鋰離子電池誕生以來(lái)，安全問(wèn)題就一直困擾消費(fèi)者。從手機(jī)、筆記本，到如今的電動(dòng)汽車，安全事故不斷發(fā)生。自 2010年以來(lái)，電動(dòng)汽車因動(dòng)力鋰電造成的起火事件時(shí)有發(fā)生。除了日產(chǎn)和特斯拉的電動(dòng)汽車還未有起火報(bào)道外，中國(guó)的眾泰和比亞迪、美國(guó)的通用和菲斯克的電動(dòng)汽車均有自燃或起火事件發(fā)生。僅美國(guó)菲斯克汽車公司因動(dòng)力鋰電缺陷召回的汽車就超過(guò)2500輛。安全事故頻頻發(fā)生，極大影響了消費(fèi)者對(duì)購(gòu)買電動(dòng)汽車的熱情，也成為影響以鋰電為動(dòng)力的電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展的最大阻礙。在動(dòng)力鋰電安全問(wèn)題未能得到妥善解決的前提下，電動(dòng)汽車想要大規(guī)模普及無(wú)疑是相當(dāng)困難的。而且，如何保證各廠家動(dòng)力鋰電的型號(hào)一致、性能一致且不存在安全隱患，也是我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵所在。

　　此外，動(dòng)力鋰電價(jià)格過(guò)高已成為制約電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展的重要因素之一。與同類型、同檔次的燃油動(dòng)力汽車相比，電動(dòng)汽車的價(jià)格一般是燃油汽車的兩倍以上。

　　正極材料性能不足致電動(dòng)汽車”動(dòng)力不足”

　　對(duì)于只有幾個(gè)或者幾十個(gè)單體鋰離子電池的成組，電池管理技術(shù)已經(jīng)較為成熟。

　　為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展，世界各國(guó)紛紛投入大量資金用于動(dòng)力鋰電的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2009年以來(lái)美國(guó)能源部投入超過(guò)20億美元支持以鋰離子電池為主的先進(jìn)動(dòng)力電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。日本在2011年前已投入超過(guò)400億日元用于先進(jìn)電池技術(shù)研究。我國(guó)的”863”計(jì)劃也有電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，投入資金超過(guò)10億元。這僅僅是政府研發(fā)投入，還不包括企業(yè)的研發(fā)投入和產(chǎn)業(yè)投資。投入不可謂不大，但動(dòng)力鋰電的發(fā)展卻不盡如人意。直到2012年年底，動(dòng)力鋰電占整個(gè)鋰離子電池市場(chǎng)份額尚不足3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。影響動(dòng)力鋰電發(fā)展”動(dòng)力不足”的因素不少，但目前主要體現(xiàn)在以下3方面：

　　(一)正極材料成為動(dòng)力鋰電發(fā)展瓶頸

　　根據(jù)美國(guó)先進(jìn)蓄電池協(xié)會(huì)(USABC)2005年公布的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池性能指標(biāo)，比能量要達(dá)到200Wh/kg，比功率要達(dá)到400W/kg，循環(huán)壽命要超過(guò)1000次，價(jià)格低于100美元/kWh。而當(dāng)前動(dòng)力鋰電的比功率已經(jīng)超過(guò)400W/kg，循環(huán)壽命也基本超過(guò)1000次，但比能量在180Wh/kg以下，價(jià)格還在300美元/kWh以上。影響動(dòng)力電池關(guān)鍵指標(biāo)無(wú)法達(dá)到要求的關(guān)鍵在于正極材料。一是當(dāng)前幾種常用的正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料的實(shí)際比能量均低于180Wh/kg。二是正極材料的價(jià)格較高，在鋰離子電池的成本構(gòu)成中，正極材料占比高達(dá)30%～40%，這也使得動(dòng)力鋰電的價(jià)格居高不下。三是正極材料本身特性決定了鋰離子電池充電時(shí)間不能過(guò)快，否則就容易造成正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電池性能急劇下滑。

　　(二)電池管理技術(shù)有待進(jìn)一步提高

　　單體鋰離子電池的容量都不大，不能滿足動(dòng)力需求，往往將多個(gè)單體鋰離子電池通過(guò)串并聯(lián)方式成組，這就涉及到電池管理技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，對(duì)于只有幾個(gè)或者幾十個(gè)單體鋰離子電池的成組，電池管理技術(shù)已經(jīng)較為成熟。然而電動(dòng)汽車用動(dòng)力鋰電通常單體電池?cái)?shù)量超過(guò)1000個(gè)，比如特斯拉汽車的鋰離子動(dòng)力電池采用的單體電池?cái)?shù)量超過(guò)了6000個(gè)。如此龐大的數(shù)量給電池管理技術(shù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，也給動(dòng)力電池組安全乃至電動(dòng)汽車安全埋下隱患。

　　(三)產(chǎn)品安全存在結(jié)構(gòu)性缺陷

　　就當(dāng)下占據(jù)主流的鋰離子電池而言，其結(jié)構(gòu)主要包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液。電解液的主要成分為有機(jī)溶劑和電解質(zhì)(鋰鹽)，其中現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的有機(jī)溶劑為碳酸酯系列(包括環(huán)狀碳酸酯如EC、PC和鏈狀碳酸酯如DMC、MC)，而這些都屬于易燃物。在鋰離子電池受到劇烈沖擊或者電池溫度過(guò)高時(shí)，電解液極易燃燒，很可能造成電池起火以及更為嚴(yán)重的安全事故。[!--empirenews.page--]

　　另外，在鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中，盡管自動(dòng)化程度較高，但人工處理環(huán)節(jié)仍然不少，這一點(diǎn)在我國(guó)鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)中更為顯著。這些人工環(huán)節(jié)雖然不會(huì)給單體鋰離子電池帶來(lái)安全隱患，但在一定程度上會(huì)造成單體鋰離子電池出現(xiàn)不一致，從而給電池管理帶來(lái)不確定性，增加電池管理難度，成為動(dòng)力鋰電的安全隱患。