電動(dòng)汽車電池發(fā)展探討

彭宇星

摘要

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

【關(guān)鍵詞】汽車 弊端 優(yōu)點(diǎn) 瓶頸 設(shè)想

近年來，電動(dòng)汽車一直是整個(gè)社會(huì)的熱點(diǎn)話題、熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注，各路資本競相進(jìn)入電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，一個(gè)嶄新的行業(yè)呼之欲出。但數(shù)年過去了，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)始終沒有大的起色，這說明電動(dòng)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(jī)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(huì)從畜力時(shí)代帶入了機(jī)械時(shí)代，大大降低了運(yùn)輸成本和路途時(shí)間，促進(jìn)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(shí)，我們稱美國“車輪上的國家”，截止2017年6月底，我國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.04億輛，也成為名副其實(shí)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(shí)，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(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)（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(shí)間。我國已成為原油凈進(jìn)口國，2016年全年進(jìn)口達(dá)原油3.81億噸、增長13.6%，能源安全是政府和社會(huì)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(dòng)機(jī)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(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)

電動(dòng)汽車，是指以車載電源為能源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。基于前述因素，電動(dòng)汽車受到了廣泛關(guān)注。對我國來說，電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)主要是：

2.1 降低環(huán)境污染

對于儲(chǔ)能電動(dòng)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(dòng)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?yàn)榘l(fā)電時(shí)點(diǎn)處于用電低谷（如深夜的風(fēng)電），要么是電站遠(yuǎn)離用戶無法消納，基于電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，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(jì)社會(huì)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(dá)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(diǎn)

電動(dòng)汽車是一個(gè)嶄新的行業(yè)，我國與國際水平差距不大，這就為我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了彎道超車的機(jī)會(huì)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還將帶動(dòng)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(xiàng)目，扶持電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展一一包括購置補(bǔ)貼、限號行駛區(qū)域不受限制等，可以說是電動(dòng)汽車是得到了政策的重點(diǎn)眷顧。

3 電動(dòng)汽車電池發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)量有限、價(jià)格昂貴、毒性大，作為正極材料電池成本較高。同時(shí)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(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品和測試儀表中，不適合電動(dòng)汽車使用。

錳酸鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是錳資源豐富，比較容易制備，價(jià)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(diǎn)是高溫性能及循環(huán)性能不佳，材料在電解質(zhì)中會(huì)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(diǎn)是：

（1）支持高倍率長時(shí)間穩(wěn)定放電、大電流充電。

（2）耐高溫，環(huán)境溫度達(dá)45℃時(shí)，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(diǎn)是：

（1）低溫性能較差，低于-10℃時(shí)容量大幅下降，溫度更低時(shí)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(jìn)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(diǎn)是安全性能較好、電壓良好耐受性，高克容量，鈷含量少、價(jià)格較為適中，缺點(diǎn)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(jià)格波動(dòng)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(dá)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(dòng)汽車發(fā)展瓶頸

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，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(dòng)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(diǎn)：

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(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到支撐電動(dòng)汽車正常使用的便利程度。

4.2 充電時(shí)間長

標(biāo)準(zhǔn)慢充一般需要6小時(shí)?8小時(shí)，快充（快速充到80%容量）也需要0.5小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)汽車僅有特斯拉等少數(shù)車型可以充滿電可以達(dá)到這個(gè)里程數(shù)，多數(shù)車型還是只能達(dá)到100km?200km，在電池性能下降后行駛里程還將減少。

5 電動(dòng)汽車發(fā)展設(shè)想

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

5.1 采用燃料電池作為動(dòng)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(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”，而是一個(gè)“發(fā)電廠”，是用靜態(tài)氧化-還原反應(yīng)取代動(dòng)態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，燃料電池的主要優(yōu)點(diǎn)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(dá)83%，比內(nèi)燃機(jī)要高2?3倍。

（2）環(huán)境有害物排放少。無機(jī)械振動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(bǔ)充能源方便的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該成為未來電動(dòng)汽車的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。燃料電池汽車已在上海世博園等地試點(diǎn)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(chǔ)能電動(dòng)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(dòng)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(yuǎn)離負(fù)荷的新能源發(fā)電站等過剩電量電解水儲(chǔ)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(jì)是當(dāng)下非常熱門的一個(gè)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(dòng)汽車上，對電動(dòng)汽車使用的電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，精簡到少數(shù)幾個(gè)型號，由電池運(yùn)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(dòng)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(hù)都由專業(yè)電池運(yùn)營商負(fù)責(zé)。電池運(yùn)營商出于資本逐利的特性，一定會(huì)千方百計(jì)采用壽命長、重量輕、受到客戶青睞的電池，也一定會(huì)使用低價(jià)風(fēng)電、低谷電量等低成本的電能充電。同時(shí)，電池集中到少數(shù)幾家運(yùn)營商也非常有利于廢舊電池的回收利用。

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