未來電動汽車的發展重點：鋰離子電池大規模產業化

羅如意 杭州市科技信息研究院

未來電動汽車的發展重點：鋰離子電池大規模產業化

羅如意 杭州市科技信息研究院

傳統能源的枯竭，全球氣候異常，發展新能源車已成為各國政府看好的“重頭戲”。2020年歐洲能源目標中，新能源在歐洲交通系統中占比達10%。我國對電動汽車的事業發展也非常重視，在“十五”和“十一五”規劃中都將其列為重大科技項目。

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

一、鋰離子電池發展創新分析

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激活而繼續使用的電池。鋰離子電池按照電解質形態不同可分為液態鋰離子電池和聚合物鋰電池（見圖1）。液態鋰離子電池包括正極、負極、隔膜及電解液等四大材料。聚合物鋰電池是指正極、負極和電解質中至少有一種是聚合物材質的鋰電池。

⒉鋰離子電池的優點與機遇

鋰離子電池的優點為：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，自放電指標顯著優于鎳氫電池。其優越性基本上可歸納為：工作電壓高、比能量大、體積小、質量輕、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等（見表1）。

由于目前動力鋰離子電池尚未產業化，鋰離子電池目前應用仍局限于消費電子，主要集中在筆記本電腦和手機。

新能源汽車對電池要求很高，因此，鋰離子電池產業化的創新點即為創造出高比能量、高比功率、快速充電和深度放電的性能，且要求成本盡量低，實用壽命長，同時企業需擁有自主知識產權，才能更好保持電池產業的競爭力和抵御外來企業入侵。

目前混合動力汽車大都使用鎳氫電池，但該電池技術的有效性被認為已經到了極限，而鋰離子電池因具備小型輕量、高容量、高輸出功率等優點而得到了北美、歐洲和亞洲汽車制造商的青睞，預計在該領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

第一，專利隱患依賴于國內廠商的自主技術探索來解決。正極材料是鋰離子電池中最為關鍵的原材料，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。作為最適合動力電池的正極材料磷酸鐵鋰，德州大學于1997年對磷酸鐵鋰的晶體結構與化學分子式申請了專利，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材料公司所掌握。國內生產磷酸鐵鋰的企業必須加強自主研發能力，盡早申請國內、國際專利，以消除產業發展隱患。

第二，導電率低，實際電容量低，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% 極低循環壽命 800次 1000次以上 1000次以上 1000次以上原材料豐富，廉價，技術成熟優點高倍率放電性好，耐充放電能力強，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，可快充，壽命長缺點比能量低，壽命短，耐過充放差，污染環境能量密度高，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，不需使用傳統隔膜材料比能量高，能量轉換率高，性能穩定，安全性好，環保自放電率高 成本高，須保護電路防止過充放，熱不穩定性，可發生燃爆，安全性低成本高，弱低溫性能 成本很高，壽命短，電流小，技術不成熟，比功率小，難充電

第三，成品率低、批次間穩定性差是制約成本下降的關鍵因素。

第四，充電站網絡建設依賴于國家政策的推動，汽車企業不具備獨立參與電力投資的資質，在未來由汽車廠、電網公司、中石油、中石化、電池廠及投資公司共同組成的產業聯合體，有可能解決充電站或電池交換站這一發展瓶頸。

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溶劑作為電解液，在電池遭到破壞后，有機溶劑及其蒸汽容易發生漏液、著火甚至爆炸，它是鋰離子電池發生火災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定性。聚合物鋰電池采用固體電解質，使安全性問題有一定程度解決。

二、鋰離子電池技術發展分析

⒈日本鋰離子電池技術發展分析

據日本經濟產業省（METI）數據顯示，日本鋰離子電池生產總值呈上升趨勢。2008年生產總值約是1995年的10倍（見圖2）。；2009年日本電池生產總量為434萬單位（件），生產總值高達6341億日元（約490.59億人民幣）；電池生產總量中，二次電池占34%，鋰離子電池占23%；電池生產總值中，二次電池占83%，鋰離子電池占比高達43%。即可知，在生產容量為23%的鋰離子電池中，生產總值卻高達43%，足見鋰離子電池作為新興產業的價值所在。日本主要為電池出口國，進口相對較少。

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年出口生產總值約比2005年增長50%，出口生產總量增長近五分之二；且2009年鋰離子電池出口生產值占日本當年電池出口總值的約70%,在金融危機席卷全球的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年來生產總量相當，但生產總值相差較大，二次電池價值約是一次電池的10倍。

⒉鋰離子電池專利分析——美國公開數據庫

通過美國專利與商標局公開數據庫網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年申請數據不全），2009年更是逆勢上揚，相比2008年同比增長約40%。專利申請發明人中，日本最多為264件，其次為韓國183件，美國79件，中國55件。

三、美國和日本電動汽車扶持政策分析

⒈美國電動汽車扶持政策

⑴購車補貼與貸款

《1992年能源政策法案》指出，購買新型電動汽車可一次性得到聯邦稅收抵免，抵免額相當于整車價格的10%，但不能超過4000美元。《2004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、插入式電動汽車和純電動汽車提供貸款。

⑵運輸電氣化示范與部署項目

2009年3月，作為《美國經濟復蘇和再投資法案》的一部分，美國能源部公開發行20億美元聯邦債券，此資金用于獎勵電動汽車電池系統和組件，同時發展充電站示范和部署項目，其中電池撥款將支持先進的鋰離子電池和混合動力電子系統，電池撥款將另外3億美元支持一項替代燃料汽車試點撥款項目，另外3億美元將支持能效設備。此項目有助于推動奧巴馬2015年美國具有100萬輛插入式混合電動汽車的目標。

美國清潔能源和安全法案（ACES），2009年5月通過，支持范圍擴展至電動汽車。該法案要求所有電力公司設立發展計劃，以支持插入式電動汽車，包括重型混合動力電動汽車。該法案還規定了“智能電網一體化”能有效地容納電力插入式電動車額外電力需求。最后，該法案允許美國能源部提供資金支持的項目，電動汽車和智能電網的技術和基礎設施的發展。

⑶國稅優惠政策

2008年美國國會眾議院通過立法，購買電動汽車稅收抵免范圍為2500美元～7500美元，變化范圍根據電池容量決定。購買雪佛蘭和特斯拉電動汽車可得到7500美元稅收抵免。此項立法適用于每個廠家銷售的前25萬輛電動汽車。2009年1月起，此項立法可用于特斯拉純電動汽車。插入式混合電動汽車和其他電動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，《美國復蘇與再投資法案》將此政策延長至2013年1月。此外，允許企業選擇一種30%的投資賦稅抵免來替代生產稅收抵免，并可選擇津貼來替代稅收抵免。

⑸撥款支持電動汽車技術的研究開發

2009年8月，奧巴馬總統宣布從7870億美元經濟刺激計劃中撥款24億美元補貼新型電動汽車的研發，其中15億美元用于生產電池和零部件的制造商，5億美元用于生產電動汽車的其他組件，比如電動馬達等，4億美元用于屁股插入式混合電動汽車和其他電力基礎設施的建設，比如充電站、電動火車和建設電動汽車技術人員的培訓等。旨在提升美國汽車制造商在國內電動車行業的地位，并創造新的綠色崗位，減輕就業壓力。

⒉日本電動汽車扶持政策

從世界范圍電動汽車產業化發展現狀看，日本是最早開始發展電動汽車的國家之一。日本國土狹小，石油資源匱乏，幾乎完全依賴進口，油價很高。同時，日本工業發達，人口密度很大，城市污染嚴重。因此，日本政府特別重視電動汽車的研究和開發。

⑴購車補貼

1996年，政府（通產省MITI）頒布《日本電動汽車購車補助手冊》，對于購買電動汽車，給予純電動汽車EV、混合動力汽車HEV與普通燃油汽車差價50%以內的補貼，該項政策的具體宣傳、落實由日本電動車輛協會負責。自1998年開始，由日本環境廳提供給地方政府和私人企業的另一項電動汽車購買津貼的補貼額，分別達到了車輛成本的50%和25%。

⑵低污染車輛引進補助項目

從1996年起，對特定地區批量購買低公害車的地方公共團體，提供與通常車輛差價1/2補貼。由環境省負責具體實施。對于地方公共團體(地方政府)購買作為大氣環境巡邏車的低公害車提供補助。位于重點污染監控計劃實施地區的，補助標準車價1/2資金；其他非重點地區，補助標準車價的1/3資金。由“污染被害補償預防協會”具體操作低公害車購車補貼。對一些地方公共團體購買在法定特殊區域內使用的低公害車，補貼部分經費。

⑶汽車購置稅優惠政策

購買新能源汽車（包括電動汽車、混合電動汽車等）可享受購置稅減免，其中電動汽車、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%的優惠，混合客車可享受購置稅2.2%的優惠，高效率燃料車可享受30萬日元的購置稅減免。比如私人購買電動汽車可享受2.3%～5%的購置稅減免，商業實用的混合客車可享受0.8%～3%的購置稅減免。

⑷商業稅優惠政策

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

⑸固定資產稅和特別土地所有稅減免

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

⑹推廣電動汽車公共快速充電系統標準

2010年3月，在日本經濟產業省的領導下，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協議會，以推進電動汽車快速充電設備的標準化。該組織提出了普及電動汽車的新思路，即在高性能電池技術難度大、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可以有效推進電動汽車普及。

四、新能源電動汽車發展對策分析

新能源汽車“新”就“新”在動力系統，而動力系統的關鍵就是動力電池。看好動力電池行業基于三點：第一，在產業化初期，先進的動力電池廠商，必將成為汽車廠商爭奪的焦點；第二，動力電池是新能源汽車產業鏈中技術最核心，產業鏈利潤最豐厚的一環；根據美國國家可再生能源實驗室NREL在2008年的統計數據，目前新能源車成本構成中，動力電池占混合電動汽車成本的26%，略低于發動機；在插電式混合動力汽車PHEV20（即充一次電可跑20公里）中，電池成本占39%，而在PHEV40中，電池成本達到了汽車成本的51%，都遠遠超過了發動機。可以想見，未來純電動車的成本構成中，動力電池有可能高達60%。第三，動力電池市場空間巨大，未來幾年將保持十幾倍的增長。發展新能源電動汽車建議：

⒈技術突破，推動更強大的動力電池研發

加大對企業、研究院所和高校等的支持，發展電動汽車向更長的壽命、更遠的續航里程、更快速的充電、更輕的質量、更低的成本、更完善的售后服務以及更安全的保障等發展。

⒉建設更便利的充電網絡

由汽車廠、電網公司、中石油、中石化、電池廠及投資公司共同組成產業聯合體，在加油站、電力公司、政府部門、汽車經銷商、商場、超市、停車場等區域大規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，改變消費者習慣。

⒊建立產業聯盟和產業集聚地，加大產業化進程

要建立汽車廠商、電池廠商、科研院校之間的產業聯盟，集中力量解決關鍵技術突破（如電池管理系統必須要電池廠商和汽車廠商共同研究完成），實現關鍵總成的國產化和產業化。