動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)及其標準化

　　1 概述

　　新型電池作為驅動(dòng)型動(dòng)力源在大眾化市場(chǎng)可接受的重量范圍內，具有超過(guò)200 km 里的續航能力，這為動(dòng)力電池成為汽車(chē)替代性能源提供重要途徑。在化石能源日益緊缺以及環(huán)保問(wèn)題日益突出的情況下，大力發(fā)展動(dòng)力電池是國家戰略發(fā)展目標之一，需要國家從技術(shù)及資金上繼續進(jìn)行重點(diǎn)投入與支持。

　　2 電池動(dòng)力驅動(dòng)與汽油發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的區別

　　電池作為動(dòng)力驅動(dòng)源并非很新的話(huà)題，早在2004 年，M. Winter 和R. J. Brodd 博士曾就幾種電池、液態(tài)氫和液態(tài)天然氣的體積比能量和汽油進(jìn)行了對比（見(jiàn)圖1），事實(shí)上，鋰電池的質(zhì)量比能量約為汽油的1/20，體積比能量約為汽油的約1/6?；谵D化效率的影響，作者還就幾種電池動(dòng)力驅動(dòng)與汽油發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)續航能力對比（見(jiàn)圖2），一組350 kg 的電池組的續航歷程為260 km，而50 L 汽油的續航歷程為720 km。顯然，從能量的角度講，動(dòng)力電池與傳統動(dòng)力的汽油相比有相當的差距。由此引申出來(lái)的兩個(gè)問(wèn)題值得重點(diǎn)關(guān)注，一是從比能量上看，傳統能源與電池相比具有絕對優(yōu)勢，其戰略意義應予以足夠關(guān)注。二是鑒于廣泛關(guān)注的能源危機和環(huán)境問(wèn)題，從續航能量看，離子電池具備良好的適用性，若安全問(wèn)題得到解決，該技術(shù)不失為一種良好的替代性技術(shù)。

圖1 幾種電池、液態(tài)氫和液態(tài)天然氣和汽油體積比能量對比

圖2 三種電池動(dòng)力驅動(dòng)與汽油發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)續航能力對比

　　3 國內外動(dòng)力電池發(fā)展現狀

　　從完整的產(chǎn)業(yè)鏈角度講，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈包括電極及其活性材料、電解液、隔膜、生產(chǎn)設備及試驗檢測儀器。在正極材料領(lǐng)域，主要公司有Valence、PhoSTech、A123 和日本的三井。目前，這些供應商為了追求更高的附加值只是在做OEM，而不愿意向國內市場(chǎng)供應磷酸鐵鋰材料。國內生產(chǎn)企業(yè)有湖南瑞翔新材料、湖南杉杉新材料、北京當升科技、北大先行等。我國的鈷酸鋰、錳酸鋰工藝相對成熟，但最為看好的動(dòng)力鋰離子電池磷酸鐵鋰正極材料處于產(chǎn)業(yè)化初級階段。

　　在鋰電池用隔膜材料領(lǐng)域，隔膜是技術(shù)壁壘最高的一種高附加值產(chǎn)品，目前全球隔膜的需求量超過(guò)數億平方米，中國的需求量在2 億平方米以上，隨著(zhù)世界各國及我國新能源政策的實(shí)施，鋰離子電池成為電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車(chē)的最佳選擇后，鋰離子電池的市場(chǎng)規模將很快會(huì )擴大到目前的5 ～ 10倍。目前國產(chǎn)隔膜研發(fā)雖然早已開(kāi)始，但只能生產(chǎn)單層膜，并存在質(zhì)量均勻性和穩定性問(wèn)題。為滿(mǎn)足動(dòng)力電池的要求，亟待開(kāi)展三層結構隔膜的研發(fā)。

　　電解液領(lǐng)域最為關(guān)鍵的材料是電解質(zhì)，目前電解質(zhì)鋰鹽是LiPF6，全球年產(chǎn)量已超過(guò)2000 t，目前僅日本Stella、關(guān)東電化、森田化學(xué)能批量生產(chǎn)，國內天津金?？缮a(chǎn)鋰鹽溶液，規模比較小，LiFSI 為一種新型的電解質(zhì)鹽，低溫性能好、氟含量低、對環(huán)境影響好于LiPF6，用于磷酸鐵鋰電池，可提高電池的倍率和低溫性能，應用前景廣闊。

　　在鋰電池全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)裝備制造領(lǐng)域，全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)僅日韓能提供，主要用于生產(chǎn)電腦和手機電池，汽車(chē)工業(yè)要求鋰離子動(dòng)力電池具有高比能量、高比功率、長(cháng)壽命、低成本，特別是要保證產(chǎn)品的均勻可靠性。其制造技術(shù)難度遠高于小電池的要求，這些致使鋰離子電池行業(yè)須進(jìn)行重大的結構調整。用于小型電池的電極制備工藝需要逐漸地被高效、低能耗和低污染的新工藝、新技術(shù)、新裝備所取代。此外，鑒于動(dòng)力電池的散熱和高功率輸入/ 輸出要求，平板式電芯設計模式也成為一個(gè)新的技術(shù)方向，這就要求我國相應的電池制造工藝和裝備不斷地創(chuàng )新和深入發(fā)展。

　?。?動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題

　　我國自發(fā)展鋰電池以來(lái)，更多的關(guān)注在涉及到電池及其組件產(chǎn)業(yè)鏈以?xún)鹊母骷夹g(shù)領(lǐng)域，而作為相關(guān)的外延問(wèn)題卻沒(méi)有引起足夠重視。

　?。?）正負極電活性物質(zhì)的資源問(wèn)題

　　自鋰電池誕生以后，包括Li、Co、Mn、Ni 及其相關(guān)化合物引起了人們的極大關(guān)注，尤其是鋰資源更顯得格外重要。按目前的動(dòng)力電池發(fā)展軌跡預測，到2050 年，將有約50% 的鋰資源會(huì )消耗殆盡。一方面，這些資源的管理應切實(shí)上升到戰略層面，另一方面，還需有計劃扶持其他的新能源動(dòng)力技術(shù)如燃料電池技術(shù)。

　?。?）動(dòng)力電池涉及的環(huán)保問(wèn)題

　　德國大眾在電動(dòng)車(chē)技術(shù)上走在世界前列，但據不久前報道，大眾卻宣布放棄電動(dòng)車(chē)最污染的項目—電池制造。這一現象涉及的核心問(wèn)題之一便是電池制造可能帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

　?。?）動(dòng)力電池使用能源的可再生性

　　從本質(zhì)意義上講，動(dòng)力電池僅涉及能源的存儲與轉化，而不產(chǎn)生能量，電能從何而來(lái)以及如何制造這些電能，也同樣與環(huán)境息息相關(guān)，因為不同的能源生產(chǎn)方式會(huì )對環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。如果電動(dòng)車(chē)能夠從“清潔”的能源中獲取電能，那么電動(dòng)車(chē)日益增多將有利于環(huán)境和氣候。然而，如果動(dòng)力電池獲得的能源來(lái)自不計污染成本的生產(chǎn)模式，這已失去動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)動(dòng)力的根本目的與意義。

　　5 標準化及安全測試領(lǐng)域存在的問(wèn)題

　　我國大容量動(dòng)力鋰電池單體電池已經(jīng)具備了推廣應用的條件，產(chǎn)業(yè)化建設成果顯著(zhù)。在電池單體方面，規?；a(chǎn)和規?；瘧玫臈l件已經(jīng)基本成熟。但從動(dòng)力鋰電池要求的高成組性、系統集成性、高安全性等和高標準化要求出發(fā)，以下幾個(gè)方面的問(wèn)題甚為突出。

　?。?）關(guān)鍵質(zhì)量控制方法與可靠性保證技術(shù)仍需完善

　　標準化通常涉及產(chǎn)品技術(shù)及標準技術(shù)文件本身。目前，國內“以人為主”的生產(chǎn)線(xiàn)無(wú)法避免高不良率，現有主要用于鉛酸蓄電池的成組應用技術(shù)和設備，不能適應新型動(dòng)力電池的技術(shù)要求。這種情形一方面會(huì )導致電池生產(chǎn)成本的增加，另一方面使得電池性能不穩定，影響到動(dòng)力電池的一致性、使用壽命等。當前發(fā)生的動(dòng)力鋰電池使用壽命縮短及燃燒、爆炸等安全問(wèn)題，均是由這些因素所引起。

　?。?）標準化缺乏統一管理

　　由于我國行業(yè)管理等歷史因素，不同類(lèi)別的電池往往是由不同的工業(yè)部門(mén)的企業(yè)主要生產(chǎn)并主導其標準的制修訂，相應地行業(yè)管理也歸屬不同工業(yè)部門(mén)。國家標準與多個(gè)行業(yè)標準并存，并且標準范圍交叉重復的現象無(wú)論是對于產(chǎn)品的生產(chǎn)者，還是消費者都造成了相當大的困擾，并損害整個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

　?。?）標準體系和市場(chǎng)化的產(chǎn)品與技術(shù)保障體系不完備

　　除節能與新能源汽車(chē)科研項目中完成了幾項電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池標準外，動(dòng)力鋰電池和系統集成標準仍處于空白狀態(tài)，而建立成熟的市場(chǎng)化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣應用包括節能與新能源汽車(chē)在內的與新型動(dòng)力鋰電池系統的基本條件，而這一條件目前尚不具備。這兩者之間不僅聯(lián)系緊密，而且相互制約。為爭奪市場(chǎng)，迫使所有企業(yè)都成為閉關(guān)自鎖的獨立體系，低水平重復開(kāi)發(fā)和拼盡全力去建設不可能實(shí)現的自主產(chǎn)品和技術(shù)保障體系，產(chǎn)品處于完全混亂局面。

　?。?）沒(méi)有中立的動(dòng)力電池系統標準符合性及安全試驗平臺

　　新型動(dòng)力鋰電池系統集成是一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，動(dòng)力鋰電池系統集成涉及到關(guān)鍵零部件及通訊和控制網(wǎng)絡(luò )、接口和通訊協(xié)議等產(chǎn)品，涉及電力、電子、計算機、自動(dòng)控制等多種高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，涉及到復雜的標準體系，安全問(wèn)題也十分突出。產(chǎn)品只有通過(guò)科學(xué)、合理的標準符合性檢測及安全試驗，才能從根本上保證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性與安全性能。當前動(dòng)力電池領(lǐng)域存在的標準欠缺，標準化工作平臺不完善，必然會(huì )影響產(chǎn)業(yè)的規范化、科學(xué)化發(fā)展。

　　6 標準化及安全試驗工程技術(shù)平臺建設的必要性

　?。?）新技術(shù)領(lǐng)域需要開(kāi)展標準化研究

　　新型動(dòng)力鋰電池系統集成作為一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，是與鉛酸蓄電池完全不同的新型蓄電池。目前主要用于鉛酸蓄電池的成組應用技術(shù)和設備，不能適應新型動(dòng)力鋰電池的特點(diǎn)，與之配套的相關(guān)標準需要建立在成熟產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究以及標準的符合性檢測基礎之上。

　?。?）市場(chǎng)化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣新能源汽車(chē)與動(dòng)力鋰電池系統的基本條件

　　建立成熟的市場(chǎng)化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣應用包括節能與新能源汽車(chē)在內的與新型動(dòng)力鋰電池系統的基本條件。而標準是質(zhì)量保證的基礎，要建立相關(guān)市場(chǎng)化保障體系，需建立動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)標準化及安全試驗工程技術(shù)平臺。

　?。?）安全性評價(jià)是動(dòng)力電池實(shí)施標準化的重要內容

　　動(dòng)力電池相對于一般的便攜式鋰離子電池而言，安全性問(wèn)題格外突出。美國小型可充電電池協(xié)會(huì )公布的FAA 試驗報告認為：非常小的火源就能夠充分將鋰離子電池加熱到打開(kāi)壓力釋放機構的溫度以上； 電解質(zhì)高度可燃且易于被點(diǎn)燃，滿(mǎn)充電電池在火焰中是更加易爆。此外，相關(guān)研究機構提出內部短路引起的現場(chǎng)失效的過(guò)程與在濫用條件引起的過(guò)程存在本質(zhì)的不同，一旦內部短路點(diǎn)近旁的局部溫度達到一定水平，就可能使電池中所有含能材料分解，對于此，現在采取的保護措施大多是無(wú)效的，要解決這一問(wèn)題，必須重視安全試驗方法研究和手段建設。