干货│全球电动汽车动力电池产业发展进程知多少

引言

燃油消耗引起的能源危机以及尾气排放带来的环境污染使得汽车的电动化趋势在所难免，而动力电池作为电动汽车的核心部件，对电动汽车的未来发展具有至关重要的作用。世界各国，尤其是美、日、德、韩、中大力支持动力电池技术和产业的发展。下面就一起看看全球电动汽车动力电池研究发展吧。

1 动力电池产业发展概况

目前世界范围内动力电池研发和产业化的三个集中区域分别位于德国、美国和中日韩所在的东亚地区，而锂离子动力电池的生产目前主要集中在中日韩三个国家。随着动力电池产能规模的扩大，动力电池价格将呈现快速下降的趋势(图1)。

图1 全球动力电池系统价格的变化趋势

1.1化学蓄电池——商业化使用最多的电池

纵观电动车的发展历程，出现过多种不同类型的汽车电池，其中产生巨大影响并商业化使用至今的电动汽车电池是化学蓄电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。其中锂离子电池除了在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于领先地位，是目前最理想的动力电池体系(图2)。

图2电动汽车电池性能比较

国际主流电池公司量产的动力电池产品相关信息如表1所示。

表1 国际主流电池公司量产的动力电池产品相关信息

从上图可以看出，目前电动汽车用动力电池以锂离子电池产品为主流方向，锂离子动力电池主要用于纯电动汽车及插电式混合动力汽车。但纯电驱动续驶里程相对燃油车较短(纯电续驶里程大多在200 km以内)，动力电池成本依然较高，安全性能有待进一步改善提高。

1.2 太阳能电池——最清洁的可再生能源

太阳能清洁无污染且易获取，但太阳能具有地域性、季节性和时域性等特点，同时太阳能电池能量密度小、转化效率低(20%)及成本高，导致太阳能电池在汽车上还不能广泛使用。目前主要用在太阳能赛车和短距离电瓶车上。

1.3 超级电容电池——电池工业的革命性飞跃

在电动汽车中超级电容器有三种应用途径：以超级电容器作为惟一电源的纯电动公交车；以超级电容器和其他储能电池一起作为纯电动汽车的动力源；以超级电容器和其他燃油作为混合动力汽车的动力源。在近期的研发中，超级电容器要着手解决两大关键性问题：能量密度偏低的均压问题。

1.4 燃料电池——电动汽车电池的终极解决方案

燃料电池具有高效、洁净、兼容可再生能源技术等优点，工作安静，起动迅速，比功率大，输出功率可随时调整。全球来看，燃料电池汽车还处于实现商业化的推进阶段，解决来自于寿命、成本与氢源的三大挑战是目前研发创新的关键。

2 国家层面动力电池发展规划

2.1 美国动力电池国家规划

美国能源部所属的能源效率及可再生能源办公室发布了“电动汽车无处不在大挑战蓝图”(图3)。该蓝图重点支持应用于插电式混合动力汽车的锂离子电池技术研发。为实现蓝图目标，美国能源部所属的能源效率及可再生能源办公室、能源先进研究项目办公室和科学办公室分工合作，共同推动车用动力电池的技术进步。

图3 “电动汽车无处不在大挑战”设置的动力电池系统技术指标

2.2 日本动力电池国家规划

日本经济产业省在2011年的报告中提出了车用动力电池的功率密度、能量密度及成本的目标值(图4)。2013年日本经济产业省下属的新能源与工业技术开发组织发布了“二次电池技术路线图2013”，提出了电动汽车用及固定式用二次电池的技术指标(表2)。

图4 日本经济产业省设置的动力电池系统相关参数目标值

表2 日本车用动力电池的主要技术指标

2.3 德国动力电池国家规划

德国政府为推动电动汽车的发展，制定了国家电驱动平台计划，主要在材料开发及电池技术、创新性电池设计技术、安全性评估及测试流程、电池寿命的建模与分析、大规模生产的工艺技术等五方面开展研发工作，提出了动力电池系统主要性能参数(2014-2020)(图5)。

图5 德国电驱动平台设置的动力电池系统技术指标

2.4 韩国动力电池国家规划

韩国知识经济部大力支持电动汽车用锂离子电池的研发工作，着重对锂离子动力蓄电池单体、模块、系统及关键原材料等进行攻关研究。世界首要材料项目和二次电池技术研发项目涵盖基础研究、关键原材料、测试评价及标准、动力电池应用，以期在韩国打造完善的动力电池产业链。

2.5 中国动力电池国家规划

中国科技部在第十二个五年计划中发布了电动汽车重大项目(2011-2015)，研发布局如图6所示。

图6 中国科技部电动汽车重大项目动力电池研发布局

国务院发布的节能与新能源汽车国家规划(2012-2020)，重点支持动力电池的产业化和电池模块的标准化(图7)。在国家第十三个五年计划中设立了新能源汽车重点研发专项(2016-2020)，提升锂离子电池的技术水平，开展新型锂离子电池的技术开发，开展新体系电池的技术开发。

图7 中国节能与新能源汽车规划设置的动力电池模块相关参数指标

综上所述，以中、美、日、韩、德等为代表的各国形成官产学研的开发体制，积极开展锂离子动力电池的技术攻关研究。

3 中国动力电池发展概况

目前，中国形成了珠江三角洲、长江三角洲、中原地区和京津区域为主的四大动力电池产业化聚集区域。中国主流动力电池公司产能统计如表3所示。

表3 中国主流动力电池公司产能统计

3.1 中国动力电池技术发展变化趋势

通过3个五年计划的大力支持，动力电池的材料体系选择呈现多元化，中国动力电池技术路线多元化的变化趋势如图8所示。目前已形成了完善的锂离子动力电池产业链体系，掌握了动力电池的配方设计、结构设计和制造工艺技术，生产线逐步从半自动中试向全自动大规模制造技术过渡。

图8 中国动力电池技术路线多元化的变化趋势

正极材料：中国目前以磷酸铁锂材料为主，但该材料能量密度进一步提升的空间有限，随着对动力电池能量密度要求的大幅提升，向镍钴锰、镍钴铝或其混合材料的转换趋势明显。

负极材料：石墨类材料仍然是主流的选择，合金类(如硅碳)和钛酸锂材料也是当前及今后一段时间产业化及应用的重点方向。

隔膜材料：聚烯烃材料是主流的选择，同时发展对隔膜材料表面进行改性处理的技术。

电解液：六氟磷酸锂依然是市场主流产品。同时，一些新型的锂盐在市场上出现并得到了初步的应用(如双氟磺酰亚胺锂盐)。

动力电池2020年预期实现产业化的材料体系及单体电池技术指标如表4所示。

表4 动力电池预期实现产业化的材料体系及单体电池技术指标(2020年)

3.2 中国动力电池产业化发展面临的问题

(1)设备及材料与国外的差距。产业链已初具规模，但结构仍不完善，部分核心装备及原材料还完全依赖进口。

(2)动力电池系统集成技术与实用化的差距。缺乏机械、电与热融为一体的锂离子电池系统设计优势，以及深入的电池管理系统及电子控制技术研发能力。

(3)动力电池系统评价力度及深度不够。考核力度及完整性还有很大欠缺，示范运营代替了部分动力电池系统的台架试验和整车考核试验。

(4)动力电池市场竞争加剧。

4 结论

动力电池作为电动汽车的核心零部件，近几年在产业化方面发展迅速，有力地支撑了电动汽车产业的发展。为满足汽车产业及普通消费者对长续驶里程电动汽车的迫切需求，新型锂离子电池及相关材料技术得到了高度关注，可以预期相关技术将取得长足进步并实现规模应用。动力电池将随着电动汽车的快速发展，迎来爆发增长的黄金期。

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本文由材料人编辑部deer供稿，材料牛编辑整理。

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