純電動汽車發展面臨的問題

王大為 羅悅齊

（1.上海交通大學，上海200240；2.上海汽車集團 前瞻技術研究部，上海 201804）

主題詞：純電動汽車 鋰離子電池 能量密度 電池管理

1 前言

中國的新能源汽車銷量在逐年增加，且純電動汽車始終占據主導地位。根據乘用車市場信息聯席會數據，2017年中國新能源汽車共銷售56萬輛，其中純電動汽車45萬輛；2018年中國新能源汽車共銷售105.3萬輛，市場滲透率從2011年的0.3%增長至超過4%[1-3]。

另一方面，一系列政策的出臺則進一步保證了新能源汽車的地位。作為《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》子課題三的《傳統內燃機汽車與新能源汽車協同發展研究》表明：新能源汽車與燃油汽車協同發展、優勢互補，新能源汽車將是車輛的必不可少的一部分[4-7]。

與燃油汽車相比，作為新能源汽車主導的純電動汽車有很多優勢：污染少、效率高、噪音低、操作順暢、不依賴汽油等[8-10]。但是純電動汽車也存在一些爭議和問題，如續駛駛里程、能耗、安全性等。因此，有必要對純電動汽車面臨的問題進行梳理。

本文從汽車從業者和高校科研人員的角度，首先通過回顧純電動汽車的歷史，指出電池是純電動汽車面臨問題的核心；其次，本文分析和討論了純電動汽車面臨的問題。本文所討論的純電動汽車僅限于文獻[11]，且不包括燃料電池汽車。

2 純電動汽車歷史

了解一項技術的發展歷史，能夠幫助認清技術的優勢和劣勢，了解面臨的瓶頸。本文通過簡單的回顧純電動汽車的歷史，來簡述純電動汽車面臨的問題。

純電動汽車的歷史可以追溯至1881年[10-11]。

法國人Gustave Trouvé制造了第一輛純電動汽車。這是一輛三輪車，配備73.55 W的直流電機并采用鉛酸蓄電池供電。包括駕駛員在內，車輛整備質量約160 kg。兩年后，兩位英國教授制造了一款類似的車輛[12]。因為當時技術不夠成熟，所以這些車輛只能夠實現約15 km/h的時速和16 km的續駛里程。這甚至無法和馬車競爭。直到1864年的巴黎-魯昂賽事(Paris-to-Rouen race)，純電動汽車才徹底地超越了馬車。當時的純電動汽車可以在48 h 53 min內行駛1 135 km，高達23.3 km/h的平均時速也遠超馬車[10]。

此后，純電動汽車和燃油汽車展開了長達20年的競爭。在當時的美國，因為公路里程較短且主要分布在城市內部，所以車輛的行駛范圍較小，純電動汽車續駛里程的問題不是很突出。但是，在當時的歐洲，迅速增加的公路里程極大地擴展了車輛的行駛范圍。這顯然更有利于燃油汽車。第一輛商業化的純電動汽車是莫里斯和薩洛姆的“電蝙蝠”（Morris and Salom's Electrobat）。該車配備兩個1.1 kW的電機，擁有高達32 km/h的時速，其續駛里程約40 km。盡管該車售價較高，但是其盈利能力已遠超馬車。再生制動（Regenerative Braking）是這段時期取得的最有意義的技術進步：因為該技術可以回收剎車能量，并將回收的能量給電池充電，所以純電動汽車的續駛里程得到了顯著的提升。該技術由法國人M.A.Darracq提出，并于1897年成功實施。同一時期，法國人Camille Jenatzy制造的La Jamais Content，續駛里程首次達到了100 km。

然而，燃油汽車擁有更強勁的動力、更好的靈活性和操控性。因此，純電動汽車在與燃油汽車的競爭中開始落敗。純電動汽車較高的成本并不是根本因素，有限的續駛里程和性能才是更根本的因素。隨著1905年最后一款商業化的純電動汽車出廠，之后的近60年，純電動汽車僅僅應用在高爾夫球車和運輸車輛等場合。

到1945年，晶體管（Transistor）和晶閘管（Thyristor）的出現使得純電動汽車的商業化重見曙光。他們可以使電池在高電壓的情況下輸出大電流，再不需要效率低下的變阻器來調節電機輸出的功率。此時，變頻的交流電機也開始應用在純電動汽車上。1966年，通用公司（General Motors，GM）研制了純電動貨車（Electrovan）。該車由感應電機（Induction Motors）驅動并采用由晶閘管組成的逆變器（Inverter）。這段時期，最有影響力的純電動汽車是阿波羅計劃（Apollo Astronauts）所使用的月球車（Lunar Roving Vehicle）。該車整備質量約209 kg，可載重約490 kg，續駛里程約65 km。在20世紀60到70年代之間，環保問題的出現也促進了純電動汽車的研發。盡管電池技術和電子設備都有所進步，但是續駛里程和電池性能仍是純電動汽車主要的限制因素。在20世紀80到90年代早期，盡管通用和雪鐵龍（Peugeot Société Anonyme，PSA）都推出了具有實用價值的純電動汽車，但是其續駛里程和車輛性能仍無法與燃油汽車相比。造成該現象的主要原因之一是電池的能量主要存儲在金屬電極中，這使得電池的能量密度遠低于汽油。因此，汽車工業開始逐漸放棄純電動汽車，轉而研發混合動力汽車[10]。

縱觀純電動汽車的發展歷史，電池技術一直是其最大的軟肋，并嚴重地阻礙其商業化。盡管人們對電池技術的研發投入了巨大的精力，但是遺憾的是，電池技術的進步著實有限，且性能遠低于純電動汽車的要求，尤其是電池的能量密度。事實上，一些基礎研究表明，即使電池的能量密度被優化到理論的上限，純電動汽車也永遠不可能與采用液體燃料的汽車相比[13]。因此，近些年來，汽車的研發開始逐漸轉向混合動力和燃料電池汽車。

3 純電動汽車面臨的問題

3.1 電池能量密度

電池的能量密度是影響純電動汽車續駛里程的最主要因素。目前，最適合純電動汽車的電池是鋰離子電池。因此，本文主要討論鋰離子電池。

在眾多的鋰離子電池中，以三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池最為普遍[14-15]。然而，即使經過多年的研發，到目前為止，電池的能量密度仍然較低，且無法滿足純電動汽車的需求：50～100 kW?h的電池包重約600 kg，且占據約500 L的空間[16]。純電動汽車對電池系統的能量密度的需求約500 W?h/kg。這意味著單電池的能量密度需要達到800～900 W?h/kg。這遠超現有的電池技術水平，與汽油的能量密度（約2 700 W?h/kg）仍有很大的差距[17]，如圖1所示。雪上加霜的是，鋰離子電池技術的發展正在逐漸地放緩。這是因為鋰離子電池的能量密度已經接近其理論值的上限[16]。這意味著鋰離子電池能夠提供的續駛里程根本無法與汽油相抗衡，甚至難以讓智能手機連續運行數天[18]。根據計算，500 km的續駛里程需要電池包的能量密度達到約300 W?h/kg，需要單電池的能密度至少達到350 W?h/kg。這已經是鋰離子電池能量密度的極限，如圖2所示[19]。

圖1 多種鋰離子電池理論和實際的能量密度[20]

圖2 鋰離子電池能量密度的極限[18,21]

雖然金屬鋰的能量密度（高達43.1 MJ/kg）與汽油不相上下，但是鋰離子電池的能量密度卻遠低于該值：不能充電的鋰離子電池只有1.8 MJ/kg；能充電的鋰離子電池更低，只有0.36～0.875 MJ/kg。究其原因，可以歸結為以下三條[22]：

首先，為保證電池內部的化學反應有序地進行，鋰離子電池必須要配有一定質量的電解液；

其次，鋰離子必須均勻地分布在電極表面：無序地分布在電極表面會發生析晶，導致隔膜穿刺、電池短路；

最后，為了保證正極的結構完整和強度，正極通常會保留約50%的鋰離子，而這些鋰離子基本不參加化學反應。

由于上述原因，鋰離子電池的能量密度始終難以與汽油相抗衡。此外，如果考慮副反應、循環穩定性、材料成本等因素，鋰離子電池的能量密度將會進一步下降[23]。

那么，能否通過增加鋰離子單電池的數量來提升續駛里程？答案是否定的。純電動汽車在行駛過程中所消耗的功率，除克服空氣阻力外，都與車輛的總質量成正比，且為線性關系。增加單電池的數量，一方面確實可以增加能量儲備從而提升續駛里程，但另一方面也增加了車輛質量和能耗，反而會降低續駛里程。純電動汽車總質量比燃油車重約10～20%，每增加1 kg質量，百公里能耗約增加5～10 Wh[24]。因此，通過增加單電池的數量來提升續駛里程的效果并不理想。

此外，燃油汽車的續駛里程則受發動機壽命影響較小，而純電動汽車的續駛里程則與電池的壽命緊密相關。在一些純電動汽車的試點項目中，隨著電池容量的衰減，車輛的續駛里程從原有的100 km下降到不足70 km[25]。影響鋰離子電池壽命的因素有很多，包括材料、溫度、電流和放電深度（Depth of Discharge，DOD）等[26-27]。在理想的工況下，鋰離子電池的壽命通常可以達到5年左右；但是在實際使用的過程中，由于電池管理系統（Battery Management System，BMS）的精度、單電池的一致性等問題，其壽命通常只有2年左右[26]。電池到達使用壽命后，用戶不得不更換新電池。但是，更換新電池的成本非常高昂：在一些車型中，電池所占成本高達50%，更有甚者的是更換電池的價格甚至會高于車輛價格，而且政策補貼并不覆蓋更換電池的成本[25,28-29]。這無疑會極大的影響純電動汽車的普及。

3.2 電池材料

鋰離子電池的制造過程是高成本、高污染、高能耗的[16]。為保證電池性能，電極材料必須采用一定比例的鈷和鎳：100 kg的鋰離子電池正極約需6～12 kg的鈷和36～48 kg的鎳。鈷在地殼中含量稀少、開采過程高污染且成本高昂[16,19]：全球大多數的鈷礦含量較低，僅約0.003%，而高于0.1%才值得去開采，但成本高達100～150美元/kg[30]。中國的鈷礦較少，生產電池所需的鈷大多數需要進口。富含鈷的礦，只有少數幾個地方：2015年全球50%多的鈷產自剛果，其中大部分流向了中國；澳大利亞擁有世界上14%的鈷礦，但是并沒有被充分地開發；鈷可以從深海海底提取，但是考慮到生態和經濟等效益，深海開采并不提倡[31]。此外，日益增長的電池產量推高了鈷的價格：從22美元/kg增至81美元/kg，增長了約3倍[31]。和鈷一樣，鎳也是只有世界上少數幾個地方擁有，且同樣需要進口。印度尼西亞、菲律賓、加拿大、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大利亞生產了全球約72%的鎳。鎳的開采相對便宜，但是迅速增長的市場需求也推高了鎳的價格。隨著市場需求的增加，鈷和鎳的產量完全無法滿足需求，即使回收電池也無法彌補需求上的缺口。這將進一步地推高原材料價格從而增加純電動汽車的成本[32]。因此有研究建議將研發的重點放在更普遍、更廉價、更容易獲得的材料上，如鐵、銅等[16]。

此外，鑒于鋰離子電池的能量密度已經接近其理論上限，確實有必要去研發其他電池來更好地滿足純電動汽車的需求。

除三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池之外，有觀點建議采用鋰硫電池、鈉離子電池、金屬空氣二次電池、全固態電池等技術[15,33,34]。為了實現高能量密度電池，負極采用金屬鋰，正極應采用O2、H2O、CO2和S等[35]。

在電池結構等方面，有研究建議采用梯度包覆型（梯度核殼結構）[36]。該結構熱穩定性好、倍率高、循環保持率穩定。但是在產業化過程中會面臨電壓衰減、制造工藝等問題[37]。也有觀點推薦尖晶石、富鋰異質結構[38]。該結構能量密度高、動力性能好。但是材料的相變問題、成品材料的振實密度與高能量密度之間的矛盾等問題仍有待解決[37]。

值得注意的是，一些實際效果并不太理想的材料受到過度地熱捧。在此投入大量的研發精力，可能會造成不必要的浪費。

首當其沖的便是石墨烯，與其他碳系材料競爭，無明顯優勢。石墨烯只能用做負極活性材料和導電添加劑，且成本高昂、體積密度低下。使用過程中會產生結構變化（Re-stacking）、分散等一系列問題。石墨烯并沒有改變電化學特性和存儲機理，因此在化學原理上沒有顛覆性[15,39,40]。

鋰空電池在最近也受到熱捧[41]。有研究解決了鋰空電池只與純氧反應、循環壽命差等問題，在基礎研究方面取得了重要的突破[42]。但是，業界指出鋰空電池結合了鋰離子電池和燃料電池的缺點，且副反應過多。因此，鋰空電池也不適合純電動汽車[43]。

3.3 電動汽車生命周期分析

純電動汽車是否節能環保，不能僅考慮汽車運行時產生的能耗和排放，還需要對汽車進行生命周期分析，包括汽車的制造、回收等環節。中國的汽車生命周期分析已經發布相應的行業標準[44-45]。

鋰離子電池的制造過程會產生一定的污染[16,46]。但是，與燃油汽車相比孰高孰低，目前尚未找到系統的方法去評估[47-49]。

關于純電動汽車運行時能耗的問題，業界尚存在一定的爭議。有觀點認為，純電動汽車耗電成本確實低于燃油汽車[50]。也有計算表明，鑒于中國以煤電為主，從碳排放的角度，純電動汽車與燃油汽車相比并不具備優勢[47,51-52]。即使技術較為領先的特斯拉（Tesla），也因為能耗過高在新加坡遭到罰款[17]。但是隨著清潔發電技術的普及，純電動汽車在節能減排等方面更有潛力，而燃油車始終無法擺脫化石燃料的限制[53]。

鋰離子電池的回收與環保問題密不可分。廢舊鋰離子電池中的物質進入環境，可能會造成鎳污染、鈷污染、氟污染、有機物污染、粉塵和酸堿污染等[46]。鑒于此，對鋰離子電池進行回收是十分必要的。中國公布了《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，明確了回收利用電池責任主體[54-55]。這有利于環境保護，促進新能源汽車產業健康持續發展。

3.4 充電技術

純電動汽車的充電時間通常遠高于燃油汽車的加油時間，這也不利于純電動汽車的商業化。純電動汽車如果采用“慢充”，所需時間通常達到6 h以上[56]。這與燃油汽車的加油時間根本不在一個數量級上，完全無法抗衡。因此，業界提出了“快充”來解決充電時長的問題。“快充”通常是小時級別的，充電電流大于0.1 C[56-57]。

但是“快充”也面臨著一些問題：

首先，“快充”的速度是有上限的。更快的充電速度要求更快的化學反應速度。但是電池內部鋰離子的遷移速度在動力學上是存在上限的，無法無限制的提高[23,58]；

其次，“快充”會降低鋰離子電池的能量轉換效率、縮短電池壽命。“快充”對于單電池的壽命與穩定性的影響非常小，但是對電池包來說，“快充”就是在用充電時間換取電池壽命[57]。“快充”會導致電極中鋰離子的嵌入、脫出過于頻繁，加速電極結構的“坍塌”，材料的“老化”和性能的衰減。長期“快充”會產生極化等效應，對材料不利，會導致電池容量和能量密度下降[58]；

此外，充電速度過高還會帶來一定的安全隱患[23]。有研究宣稱研發了“快充”的材料技術，可以在5 min內以12 C的電流充滿一臺180 kW的插電式混合動力汽車[59]。但是，隨后不久，便有研究提出多達14個質疑，并提到這樣的“快充”會帶來嚴重的安全隱患：充電產生的熱量足夠將170 L水煮沸[60-61]。

“快充”要求電池具有良好的功率密度，而續駛里程要求電池擁有優秀的能量密度。這兩種要求通常是矛盾的，需要妥協與平衡：功率密度高的電池往往是以犧牲能量密度為代價的[56]。

在基礎設施等方面，純電動汽車充電技術也面臨一定的問題，無論“快充”還是“慢充”。純電動汽車通常在夜間接入處于用電高峰的居民配電網，而居民配電網容量較小。在“峰上加峰”的情況下，居民配電網難以支撐純電動汽車大規模充電。即使是現有的商用配電網，也難以滿足需求[58]。因此，純電動汽車充電對于居民配電網來說是非常高的負荷，會對電網造成相當的沖擊。即使相對保守的計算，純電動汽車以1.4 kW的“慢充”進行充電，居民配電網的夜間負荷上升了一倍多[62-63]。

無論是建設專用的配電網絡還是建立微電網，都有著不小的資金和技術上的難度。或許改變用戶習慣，錯峰充電是個可選擇的解決方案。隔夜充電（Overnight charging）8～10 h可續駛100 km，同時不會對配電網產生很大的沖擊。但是這需要改變消費者的使用習慣，需要用戶的配合[62]。

3.5 換電模式

鑒于充電技術存在的上述問題，蔚來公司提倡的換電模式逐漸地走進業界的視野[25,64,65]。以色列Better Place公司率先提出換電模式，且在換電站內通過機械臂3 min即可完成換電[25]。

換電模式有著充電模式不可替代的優勢：提高電網負荷率，電池可以采用“慢充”延長壽命，谷底充電時電價成本較低；雖然換電站初期投資高，但是比充電站盈利性更強，投資回收期更短[25,66]。

然而換電模式也存在一些難以解決的問題。

首先，電池管理系統是電池包的核心技術之一，各車企不愿意剝離，難以達成統一的行業標準。這不利于換電模式的推廣；其次，電池價格過于昂貴，消費者不愿負擔換電產生的成本[25]；再次，隨著換電次數的增加，電池的容量和能量密度逐漸地衰減，續駛里程不斷地下降：中國國家電網和眾泰汽車在杭州的試點項目中，多次換電后，出租車的續駛里程由100 km下降到不足70 km[25,67]；此外，涉及多方的利益沖突，利潤主要被換電服務商拿走，整車廠沒有積極性[25]。

鑒于上述原因，2012年，中國最終確立了充電模式為主導[25,68]。盡管換電模式不再是主導模式，但是換電模式與充電模式都有各自不可替代的優勢，兩者應相輔相成、優勢互補，更好地滿足純電動汽車的需求[25]。

3.6 電池管理系統

鋰離子電池包配備電池管理系統，主要基于以下三個原因：

首先，鋰離子單電池的電壓和容量較小，需要將成百上千的單電池組成一個電池包才能夠滿足純電動汽車的需求；其次，電池的過充和過放都會對電池造成不可逆的損傷，單電池的充電、放電過程需要被精確地控制；最后，鋰離子電池能夠安全工作的溫度和電壓范圍較窄，如圖3所示（安全放電的溫度范圍是-20～55°C；安全充電的溫度范圍更窄，是0～45 °C[69,70]）。

因此，為保證鋰離子電池包安全、可靠地工作，鋰離子電池包必須要配備電池管理系統[69]。目前，電池管理系統尚無最終定義，以參考文獻[71][72]的定義最為常見。

圖3 鋰離子電池安全工作范圍[73]

電池管理系統的目標主要有三個[69,72]：

（1）防止電池和電池包的損壞；

（2）讓電池工作在合適的電壓和溫度區間，保證安全的同時，盡可能延長壽命；

（3）讓電池包盡可能地滿足純電動汽車的要求。

電池管理系統的硬件架構如圖4所示，包括電流、電壓傳感器、溫度傳感器、加速或剎車傳感器、運行或禁止充電傳感器；軟件系統的功能應包括：電池參數監測、預測電池狀態、在線監測、電池安全控制及預警、充電控制、電池均衡、熱管理、網絡連接和信息儲存等[69]。

圖4 電池管理系統硬件架構[69]

電池管理系統的關鍵問題包括電壓測量、電池狀態預測，電池的一致性和錯誤診斷等[69]。眾多的企業、研究所和高校均推出了各自的電池管理系統[74-77]。國內也涌現出相當數量的產品[78-84]。當前市場上，特斯拉的電池管理系統是優秀系統的典型范例[85]。

3.7 安全性

如前文所述，鋰離子電池安全工作的范圍比較狹窄。90～120°C，電池的固體電解質相界面膜（Solid Electrolyte Interphase(SEI)film）會發生熱解，而一些電極在69°C就會分解[86-90]。當溫度達到130°C，電池隔板開始融化[91,92]。溫度繼續升高至150°C，正極材料開始分解[93-95]。當溫度升至200°C以上，電極會分解并產生可燃氣體和氧氣，并引起火災[95]。過低的溫度也會導致嚴重的問題。0°C以下充電會導致鋰離子以金屬的形態聚集在電極上，從而降低電池的循環壽命[96]。極低的溫度下，電池的陰極會直接發生分解并導致電池短路[72]。此外，電壓過低或過度放電，電池內部會發生相變，導致晶體聚集從而進一步影響電池性能[97]。電壓過高和過度充電會導致電池內部產生大量的熱量，同時加速電池容量的衰減，并可能導致電池短路和一系列安全問題[98]。

超出安全工作范圍，鋰離子電池將存在一定的安全隱患。用在純電動汽車上，還要考慮碰撞安全和爆炸風險。

市場主流使用的有三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池安全性較好，但是能量密度低，續駛里程短；三元材料鋰電池能量密度高、循環性能好，但是高溫時的安全性較差，在使用過程中更容易著火甚至爆炸。

雖然鋰離子電池著火的原因尚不明確，但是有統計表明，同為易燃物的電解液也起著不可忽視的作用。改善鋰離子電池的安全性，一方面需要對現有的材料、加工工藝等進行改進；另一方面，電池管理系統應該發揮更大的作用，因為在已發生的事故中，電池管理系統基本上沒有起到應有的預警作用。此外，電池成組技術還不夠成熟，這也是保證電池包安全工作需要攻克的難關。

3.8 政策的挑戰

給予純電動汽車的補貼力度正在逐漸地下降，也就是業界所謂的“補貼退坡”，且過渡期只有半年。鑒于純電動汽車相對高昂的制造和使用成本，純電動汽車將面臨更大的競爭壓力。此外，政策對能量密度的要求也將進一步增加純電動汽車的競爭壓力。根據《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》、《中國制造2025》、《節能與新能源汽車技術路線圖》的相關內容，到2020年時，中國新能源汽車產量達到200萬輛，保有量達到500萬輛，電池的能量密度要達到250 W?h/kg，這就給我國新能源汽車產業定下了“量質同升”的總體目標[68]。目前來看，要實現250 W?h/kg的電池能量密度，難度并不小。

4 結論

本文回顧了純電動汽車的歷史，并指出電池是純電動汽車需要解決的核心問題。圍繞電池這個核心問題，本文從電池能量密度、電池材料、汽車生命周期分析、充電技術、換電模式、電池管理系統、安全性和政策等方面，概述了純電動汽車面臨的問題。

鑒于鋰離子電池的能量密度逐漸接近其理論上限，所以應投入一定的精力去研發其他類型的電池。各種備選的電池都有各自的優缺點，應對其進行全面的評估。

從汽車生命周期分析的角度，純電動汽車節能減排的能力尚存在一定爭議。鑒于中國以煤電為主，純電動汽車的能耗與燃油汽車相當。然而，隨著清潔發電能源的比例逐漸增加，純電動汽車具有更大的節能減排潛力。

電池充電目前以充電模式為主，換電模式為輔。“快充”速度在理論上存在上限，考慮到電池安全性、容量衰減等問題，“快充”速度不能無限制地提高。此外，純電動汽車充電也會增加電網負荷，給電網帶來一定的沖擊。換電模式有其不可替代的優勢。充電模式和換電模式應相輔相成以便更好地滿足純電動汽車的需求。

電池管理系統是純電動汽車安全的重要保證，但是在已發生的事故中，電池管理系統作用不足，仍有待提高。純電動汽車的安全性仍有待提高。這需要對現有的材料和加工工藝進行改進。

隨著政策補貼力度的下降，及政策對電池能量密度的要求，純電動汽車將面臨更嚴峻的競爭壓力。