鋰電行業(yè)的發(fā)展趨勢怎么樣？

【專家解說】：1、引言 現代電動汽車一般可分為三類：純電動汽車（PEV）、混合動力汽車（HEV）、燃料電池電動汽車（FCEV）。但是近幾年在傳統(tǒng)混合動力汽車的基礎上，又派生出一種外接充電式（Plug-In）混合動力汽車，簡稱PHEV。本文將電動汽車技術研發(fā)的若干問題和趨勢，作簡要的介紹和評述。 2、純電動汽車（PEV） 純電動汽車是指完全由動力蓄電池提供電力驅動的電動汽車，雖然它已有134年的悠久歷史，但一直僅限于某些特定范圍內應用，市場較小。主要原因是由于各種類別的蓄電池，普遍存在價格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時間長等嚴重缺點。目前采用的鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池，它們已達到的實際性能指標和市場平均價格，如表1所示。根據實際裝車時的循環(huán)壽命和市場價格，可估算出電動汽車從各種動力電池上每取出1kWh電能所必須付出的費用。計算時，假設電池最高可充電荷電狀態(tài)（SOC）為0.9，放電SOC為0.2，即實際可用的電池容量僅占總容量的70%;由電網供電價為0.5元/kWh，電池的平均充放電效率為0.75。 粗略計算中可知，雖然從電網取電僅需0.5元/kWh，但充入電池，再從電池取出，鉛酸電池每提供1kWh電能，價格為3.05元左右，其中2.38元為電池折舊費，0.67元為電網供電費，而從鎳氫電池中每提供1kWh電能，費用為9.6元，鋰離子電池為10.2元，即后二種先進電池供電成本是鉛酸電池的三倍多。 目前國內市場上用柴油機發(fā)電，價格大致為3元/kWh，若用汽油機發(fā)電，供電價格估計為4元/kWh，即從鉛酸電機提供電能的價格大致和柴油機發(fā)電價格相等，僅僅從取得能量的成本來考慮，采用鉛酸電池比汽油機驅動有一定價格優(yōu)勢，但是由于它太過笨重，充電時間又長，因此只被廣泛用于車速小于50km/h的各種場地車、高爾夫球車、垃圾車、叉車以及電動自行車上。實踐證實鉛酸電池在這一低端產品市場上有較強的競爭力和實用性。 鎳氫電池的主要優(yōu)點是相對壽命較長，但是由于鎳金屬占其成本的60％，導致鎳氫電池價格居高不下。鋰離子電池技術發(fā)展很快，近10年來，其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg，比功率可達2000W/kg，循環(huán)壽命達1000次以上，工作溫度范圍達-40～55℃。 。 近年由于磷酸鐵鋰離子電池的研發(fā)有重大突破，又大大提高了電池的安全性。目前已有許多發(fā)達國家將鋰離子電池作為電動汽車用動力電池的主攻方向。我國擁有鋰資源優(yōu)勢，鋰電池產量到2004年已占全球市場的37.1％，預計到2015年以后，鋰離子電池的性/價比有望達到可以和鉛酸電池競爭的水平，而成為未來電動汽車的主要動力電池。 圖1示出了國內外各種純電動車輛數量/性能和價格/性能曲線，以電動自行車為代表的低性能車輛，由于其成本低廉，僅我國在2006年已達到年產2000萬輛，美國通用汽車公司生產的沖擊1號電動跑車，雖然已達到了很高的動力性，但是由于售價高昂，僅生產了區(qū)區(qū)50輛，由于沒有市場而不得不停產。性能較低的場地車，在我國年產達7000～8000輛左右；天津清源電動車公司生產的微型電動車，最高車速僅50km/h，年產也可以達千輛以上，這可能是目前市場所能接受的純電動車輛性能的上限。上述所有電動車輛均采用鉛酸電池為動力。隨著高性能鋰離子電池的性/價比不斷提升，未來5～10年內，市場上可能會出現最高車速≥100km/h，續(xù)駛里程≥250km的高性能純電動汽車。 3、混合動力電動汽車（HEV） 由于完全由動力蓄電池驅動的純電動汽車，其性能/價格比長期以來都遠遠低于傳統(tǒng)的內燃機汽車，難于與傳統(tǒng)汽車相競爭，上個世紀90年代以來各大汽車公司都著手開發(fā)混合動力汽車。日本豐田公司在1997年率先向市場推出“先驅者”（Prius）混合動力汽車，并在日本、美國和歐洲各國市場上均獲得較大成功，累計產銷量已超過60萬輛。隨后日本本田、美國福特、通用和歐洲一些大公司，也紛紛向市場推出各種類型的混合動力汽車。 3.1 研制全混合電動汽車的必要性 混合動力電動汽車是指具備兩個以上動力源、而其中有一個可以釋放電能的汽車。混合動力汽車按混合方式不同，可分為串聯式、并聯式和混聯式三種；按混合度（電機功率與內燃機功率之比）的不同，又可分為微混合、輕度混合和全混合三種。其中外掛式皮帶驅動起動/發(fā)電（BSG）式是微混合動力汽車的典型結構，其電機功率一般僅2～3kW，依賴發(fā)動機的停車斷油功能，可節(jié)燃油5～7％;在發(fā)動機曲軸后端加裝一個電動/發(fā)電型盤式電機（ISG）是輕度混合動力汽車的典型結構；具有純電力驅動功能的可作為全混合或混聯式混合動力汽車的典型。豐田公司的Prius轎車即屬于這類全混合汽車。目前我國若干汽車企業(yè)研制的混合動力汽車，大多采用ISG輕度混合或BSG微混合方案，主要是考慮這二種方案的技術難度較小，生產成本也較低。但是根據研究表明，混合動力汽車的節(jié)油率幾乎與汽車功率的混合度和汽車的生產成正比上升 因此，從長遠來看，研制全混合電動汽車是一種必然趨勢。 4、外接充電式混合動力汽車 外接充電式混合動力汽車是最新的一代混合動力汽車類型，近年來受到各國政府、汽車企業(yè)和研究機構的普遍關注，國內外專家認為，PHEV有望在幾年后得到廣泛的推廣使用。 據統(tǒng)計，法國城鎮(zhèn)居民80％以上日均駕車里程少于50km，在美國，汽車駕駛者也有60％以上日均行駛里程少于50km，80％以上日均行駛里程少于90km。PHEV特別適合于一周有5天僅駕車用于上下班，行駛里程50～90km之間的工薪族使用。PHEV是在混合動力汽車上增加了純電動行駛工況，并且加大了動力電池容量，使PHEV采用純電動工況可行駛50～90km，超過這一里程，即必須起動內燃機，采用混合驅動模式。所以PHEV的電池容量一般達5～10kW·h，約是純電動汽車電池容量的30～50％，是一般混合動力汽車電池容量的3～5倍，可以說它是介于混合動力汽車與純電動汽車之間的一種過渡性產品。與傳統(tǒng)的內燃機汽車和一般混合動力汽車（HEV）對比（見表5），PHEV由于更多的依賴動力電池驅動汽車，因此它的燃油經濟性進一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。由于動力電池容量的加大，每輛車的售價至少比一般HEV高2000美元。 圖3示出了四種不同類型乘用車，它們的蓄電池容量與汽車價格、燃油消耗及尾氣排放的對比關系?？梢婋S著蓄電池容量的加大，汽車價格將上升，但是燃油消耗和尾氣排放則下降。因此可以認為，電動汽車是以使用和損耗蓄電池為代價來換取節(jié)油、減排的效果，動力電池性/價比的大幅提升將是電動汽車能否迅速推廣使用的關鍵所在。 一般HEV動力電池SOC僅在較小范圍內波動（例如±2％～3％）因此循環(huán)壽命次數很長，而PHEV的動力電池SOC必須在很大的范圍內波動（例如±40％），屬于深充深放，因此循環(huán)工作壽命短得多，和純電動汽車（PEV）相似。目前在PHEV上都采用先進的鋰離子電池，由表1可知，鋰離子電池每放出1kWh電能，能耗費為10.2元，相當于內燃每kWh能耗費用的3倍。隨著全球石油價格不斷上升，燃油內燃機的能耗費用也將不斷上升，而鋰離子電池隨著技術進步和產量的擴大，其能耗費用將不斷下降 。 5、燃料電池電動汽車 早在1839年，英國人格羅孚就提出了氫和氧反應發(fā)電的原理。20世紀60年代，研發(fā)出了液氫和液氧發(fā)電的燃料電池，由美國UTC公司首先用于航天和軍事用途。近20年來，由于石油危機和大氣污染日趨嚴重，以質子交換膜式為代表的燃料電池技術，受到世界各國普遍重視。各大跨國汽車公司紛紛投入巨資，研發(fā)出了各種類型的燃料電池電動汽車(FCEV)。 5.1 質子交換膜燃料電池（PEMFC）主要優(yōu)點 （1）其排放生成物是水及水蒸汽，為零污染； （2）能量轉換效率可高達60～70％; （3）無機械振動、低噪聲、低熱輻射; （4）宇宙質量中有75％是氫，地球上氫也幾乎是無處不在。氫還是化學元素中質量最輕、導熱性和燃燒性最好的元素; （5）氫的熱值很高，1kg氫和3.8L汽油的熱值相當。 5.2 燃料電池電動汽車存在的技術、經濟問題 在我國，國家科技部將研發(fā)燃料電池客車和燃料電池轎車列為“十五”和“十一五”計劃“863”重大科技項目。并已取得一系列重大科技成果，但是在多年科研實踐中，也暴露出一些技術、經濟問題: （1）燃料電池發(fā)動機的耐久性壽命短 一般僅1000～1200小時（國外達2200小時），燃料電池汽車行駛4～5萬km，功率即下降～40％，和傳統(tǒng)內燃機可普遍行駛50萬km以上相比，差距很大； （2）燃料電池發(fā)動機的制造成本居高不下 一般估計3萬元/kW（國外成本約3000美元/kW），與傳統(tǒng)內燃機僅200～350元/kW相比，差距巨大。由于其中如質子交換膜、炭紙、鉑金屬催化劑、高純度石墨粉、氫回收泵、增壓空氣泵等關鍵部件均依靠進口，所以與國外相比，并沒有成本優(yōu)勢； （3）燃料電池發(fā)動機對工作環(huán)境的適應性很差 國產可在0～40℃氣溫下工作，低于0℃有結冰問題，高于40℃過熱不能正常工作；此外對空氣中的粉塵、一氧化碳、硫化物等都十分敏感，鉑催化劑極易污染中毒失效； （4）燃料電池汽車的使用成本過于高昂 例如高純度(99.999％)高壓氫(>200大巴)售價約80～100元/kg。按1kg氫可發(fā)10kW·h電能計算，僅燃料費即約為10元/kW·h，按燃料電池發(fā)動機工作壽命1000小時計算，折舊費為30元/kWh。所以總的動力成本達40元/kW·h。與表1對照可知，至少在目前，由燃料電池發(fā)動機提供1kWh電能的成本遠高于各種動力電池，這從一個側面反映了作為汽車動力源，燃料電池汽車還有相當的距離。 5. 目前燃料電池電動汽車的研究課題 盡管存在如此多的問題，但是燃料電池仍然是人類迄今為止，發(fā)明的最清潔、安靜又可無限再生的能源，值得我們?yōu)閷崿F燃料電池電動汽車的產業(yè)化，付出更大的努力。 6、電機及電動車輪 電動汽車驅動電機是所有電動汽車必不可少的關鍵部件。目前使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應和開關磁阻等四種電機。美國和德國開發(fā)的電動汽車大多采用交流感應電機，主要優(yōu)點是價格較低、效率高、重量輕，但啟動轉矩小。日本研制的電動汽車幾乎全部使用永磁無刷電機，其主要優(yōu)點是效率可以比交流感應電機高6個百分點，但價格較貴，永磁材料一般僅耐熱120℃以下。開關磁阻電機結構較新，優(yōu)點是結構簡單、可靠、成本較低、起動性能好，沒有大的沖擊電流，它兼有交流感應電機變頻調速和直流電機調速的優(yōu)點，缺點是噪聲較大，但仍有一定改進余地。 但是對于電動汽車而言，由于電能是由各類電池提供，價格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機是較為合理的，它已被廣泛用于功率小于100kW的現代電動汽車上。 此外，在國外已有越來越多的電動汽車采用性能先進的電動輪（又稱輪轂電機），它用電機（多為永磁無刷式）直接驅動車輪，因此無傳統(tǒng)汽車的變速箱、傳動軸、驅動橋等復雜的機械傳動部件，汽車結構大大簡化。但是它要求電機在低轉速下有很大的扭矩，特別是對于軍用越野車，要求電機基點轉速∶最高轉速=1∶10 近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動輪技術應用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。例如美海軍陸戰(zhàn)隊在“悍馬”基礎上研制出串聯式“影子”新型混合動力越野車，采用了電動輪技術， 與傳統(tǒng)“悍馬”車對比試驗，在同樣偵察試驗條件下，“悍馬”耗油472kg，而“影子”僅耗油200kg；同一越野路段，“悍馬”耗時32分鐘跑完，而“影子”僅耗時13分50秒，此外它還具有在純電動模式下，汽車靜音、無“熱痕跡”等優(yōu)點。如此優(yōu)異的性能，據聞美軍已決定停產傳統(tǒng)“悍馬”車，全部改產新型混合動力電動輪驅動的“影子”型軍車。這一重要發(fā)展趨勢，應引起高度關注。 7、結束語 （1）由于鉛酸電池的供電成本大體和柴油機供電相等，因此它仍然是低端電動車市場的主要動力電池。磷酸鋰離子電池技術進步較快，它最有可能成為鉛酸電池的競爭對手，率先成為高端電動車市場的主要動力電池； （2）由于混合動力汽車僅需裝用純電動汽車1/10的動力電池容量，整車有較為接近市場的性/價比，因此它仍將是近期實現產業(yè)化的主要電動汽車種類?？紤]到我國國情，目前仍應大力推廣使用混合動力大客車，進一步降低制造成本，減少油耗和排放； （3）在鋰離子電池性/價比進一步提升后，外接充電式混合動力汽車（PHEV）有望成為理想的上班族乘用車，它可大幅度減少油耗和降低排放，但是由于較高的價格，它可能首先在發(fā)達國家得到推廣應用； （4）燃料電池雖然是理想的清潔能源，但是目前它的性/價比太低，要達到可以進入市場的性/價比，可說是任重而道遠，必須從基礎材料和基本理論上有重大突破，才可能進入汽車市場。