車(chē)載鋰電池的開(kāi)發(fā)競爭，單位容量?jì)r(jià)格、安全性及抑制性能劣化是關(guān)鍵

　　充電電池在很大程度上左右著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的環(huán)保性能與車(chē)輛成本。車(chē)載充電電池不僅需要滿(mǎn)足來(lái)自決定車(chē)輛續航距離的能量容量、瞬間大電流的輸入輸出、以及防止異常發(fā)熱及起火等安全性方面的要求，為了使電動(dòng)車(chē)能被普通消費者所接受，還需要滿(mǎn)足成本要求，為此各企業(yè)正在進(jìn)行著(zhù)激烈的開(kāi)發(fā)競爭。今后車(chē)載鋰離子充電電池的開(kāi)發(fā)將圍繞以下三個(gè)要素展開(kāi)：(1)降低單位能量容量的成本；(2)確保安全性；(3)抑制充放電導致的劣化。尤其是第三項抑制充放電導致的劣化，關(guān)系到用戶(hù)使用電動(dòng)車(chē)的感受以及包含維護成本在內的總成本，因此是不可忽視的重要因素。

企業(yè)對正極材料的選擇各不相同

圖1：車(chē)載鋰電池的正極材料與采用廠(chǎng)商

　　電池的性能與成本取決于材料、構造及控制，其中最重要的是材料的選擇。各電池廠(chǎng)商必須從多種候選材料中作出最優(yōu)選擇。目前已開(kāi)始量產(chǎn)或計劃今后1～2年內量產(chǎn)的鋰離子充電電池的正極材料，按照與鋰組合的材料不同，分為三元類(lèi)、錳類(lèi)、NCA類(lèi)及磷酸鐵類(lèi)4種（圖1）。傳統鋰電池的正極材料一般使用鈷酸鋰（LiCoO2）。但使用鈷酸鋰的正極在充電時(shí)晶體構造不夠穩定，在車(chē)載電池用途方面存在著(zhù)安全性問(wèn)題。因此，在開(kāi)發(fā)車(chē)載鋰電池時(shí)，技術(shù)人員嘗試并開(kāi)發(fā)出了可代替鈷酸鋰的新材料。

　　被稱(chēng)作三元類(lèi)的材料以鎳和錳取代了鈷酸鋰的部分鈷，通過(guò)使用鈷、鎳、錳三種成分，提高了材料的穩定性。采用三元類(lèi)〔Li（Ni-Mn-Co）O2〕材料的電池廠(chǎng)商包括宣布向鈴木的增程型電動(dòng)車(chē)供應鋰電池的三洋電機，以及為本田開(kāi)發(fā)的PHEV供應電池的GS湯淺與本田的合資公司Blue Energy Japan。

　　NCA類(lèi)材料的NCA是鎳、鈷、鋁3個(gè)詞的字頭縮寫(xiě)。NCA類(lèi)材料用鋁代替了三元類(lèi)材料中的錳。NCA類(lèi)材料〔Li（Ni-Co-Al）O2〕已被豐田與松下的合資公司Primearth EV能源采用，其生產(chǎn)的鋰電池被配備在了普銳斯插電式混合動(dòng)力車(chē)上。NCA類(lèi)鋰電池一般來(lái)說(shuō)具有出色的能量密度，但在安全性方面還存在需要解決的課題。Primearth EV能源公司為了提高鋰離子充電電池的安全性，通過(guò)在負極上涂覆陶瓷層等措施提高了耐熱性，從而強化了安全性能。

　　錳類(lèi)材料使用錳酸鋰（LiMn2O4）。這類(lèi)材料已被日本、韓國及美國的電池廠(chǎng)商廣泛采用，目前是車(chē)載電池的主流。主要廠(chǎng)商包括為日產(chǎn)LEAF（中國名：聆風(fēng)）供應電池的Automotive Energy Supply，為三菱iMiEV供應電池的Lithium Energy Japan，為通用Volt供應電池的LG化學(xué)，以及為戴姆勒、寶馬及北京汽車(chē)供應電池的江森自控-Saft（Johnson Controls-Saft）等。錳類(lèi)材料與三元類(lèi)及NCA類(lèi)材料相比，理論上能量容量密度要低，但鋰原子、錳原子及氧原子能夠形成牢固的晶體構造，因此熱穩定性出色，安全性高。另外，錳與鈷及鎳相比，原材料價(jià)格便宜，成本優(yōu)勢也較大。原材料價(jià)格由高到低依次為鈷、鎳、錳，如果將鈷的價(jià)格看做10的話(huà)，那么鎳就是5，而錳則不到1。

　 磷酸鐵類(lèi)（LiFePO4）材料是中國廠(chǎng)商使用較多的正極材料。這類(lèi)材料因磷（P）與氧（O）結合緊密，即便電池內部發(fā)熱，晶體構造也不易遭到破壞，因此安全性高。磷酸鐵類(lèi)材料以前因電傳導性低，存在輸出功率難以提高的問(wèn)題，但通過(guò)在正極材料上包覆微細化碳改善了特性，大幅推進(jìn)了實(shí)用化進(jìn)程。此類(lèi)材料的優(yōu)點(diǎn)除了安全性之外，另一優(yōu)勢在于材料成本。鐵的原材料價(jià)格比錳還便宜，估計只有錳的幾分之一左右。但也有技術(shù)人員指出，這類(lèi)材料的制造工藝成本較高，所以難以發(fā)揮出材料本身的成本優(yōu)勢。由于需要創(chuàng )造防止鐵氧化的制造環(huán)境，而且為正極材料包覆碳工序的品質(zhì)管理也要花費人力與物力，因此包含制造費用在內的總成本未必便宜。

成本目標是降至與消費類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池相當的2萬(wàn)日元/kWh

圖2：通用Volt與日產(chǎn)LEAF

　　目前，日本廠(chǎng)商的車(chē)載鋰電池成本約為10～12萬(wàn)日元/kWh，中國廠(chǎng)商為其一半。按電池成本為10萬(wàn)日元/kWh來(lái)計算電動(dòng)車(chē)的電池成本時(shí)，配備16kwh電池的通用Volt為160萬(wàn)日元，配備24kwh電池的日產(chǎn)LEAF為240萬(wàn)日元（圖2）。僅電池成本就相當于一輛車(chē)的價(jià)格。也就是說(shuō)，目前EV及REV（改裝EV）與相同級別的汽油車(chē)相比，成本會(huì )是兩倍。要推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的普及，必須降低電池的成本。

　　車(chē)載鋰電池的成本目標是降至消費類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池的水平。消費類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池的成本約為2萬(wàn)日元/kWh。如果以2萬(wàn)日元/kWh計算的話(huà)，Volt的電池成本為32萬(wàn)日元，LEAF為48萬(wàn)日元。電池成本可分別降低128萬(wàn)日元與192萬(wàn)日元。將下降的電池成本反映到車(chē)輛價(jià)格中的話(huà)，Volt的價(jià)格可降至200萬(wàn)日元，LEAF可降至185萬(wàn)日元。如果成本能夠下降到這種水平，電動(dòng)車(chē)就能實(shí)現普通消費者也買(mǎi)得起的價(jià)格。

圖3：車(chē)載鋰電池開(kāi)發(fā)藍圖

　　2萬(wàn)日元/kWh這一成本也與日本及中國的車(chē)載鋰電池發(fā)展藍圖所提出的目標值一致。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（NEDO）編制的車(chē)載充電電池開(kāi)發(fā)藍圖中，成本目標為2015年降至3萬(wàn)日元/kWh，2020年降至2萬(wàn)日元/kWh。在中國政府公布的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)藍圖中，2015年中國的電池成本目標值為1,500元/kWh（約18,000日元）（圖3）。

　　電池廠(chǎng)商的態(tài)度也為車(chē)載電池成本實(shí)現2萬(wàn)日元/kWh這一目標的可能性提供了支持。與日產(chǎn)擁有合資關(guān)系的NEC的高管在2010年9月接受路透社的采訪(fǎng)時(shí)表示，該公司正在推進(jìn)鋰離子充電電池的開(kāi)發(fā)，目標是到2017年前后，使其與現在的產(chǎn)品相比價(jià)格減半性能翻倍。價(jià)格減半性能翻倍便意味著(zhù)每kWh的價(jià)格要降至目前的四分之一。假設目前的電池成本為10萬(wàn)日元/kWh，那么2017年的成本就是2.5萬(wàn)日元/kWh。另外，LG化學(xué)公司的高管在2011年2月舉行的國際會(huì )議上表示，該公司將要量產(chǎn)的車(chē)載鋰離子充電電池的價(jià)格為350～400美元/kWh（約28,000～32,000日元）。LG化學(xué)所說(shuō)的350～400美元/kWh這一價(jià)格被認為考慮了該公司將來(lái)要降低的成本。

　　降低電池單位容量?jì)r(jià)格的驅動(dòng)力是高容量化以及提高生產(chǎn)效率。高容量化方面，目前消費類(lèi)產(chǎn)品用鋰電池的能量密度已接近250Wh/kg，而車(chē)載鋰電池只有約100Wh/kg。車(chē)載鋰電池在提高能量密度方面尚有余地。降低電池單價(jià)的另一驅動(dòng)力是提高生產(chǎn)效率，這一點(diǎn)可主要通過(guò)以擴大規模來(lái)獲得量產(chǎn)效果、改善工藝以及降低生產(chǎn)設備的成本等措施來(lái)實(shí)現。Automotive Energy Supply公司就其今后的車(chē)載充電電池量產(chǎn)計劃表示，將從2011年開(kāi)始量產(chǎn)可供5萬(wàn)輛EV使用的電池單元，2013年前后將把產(chǎn)量提高至50萬(wàn)輛EV的用量。

不可忽視的電池性能劣化問(wèn)題

　　車(chē)載鋰電池不可忽視的要素是存在電池劣化問(wèn)題。從購買(mǎi)新車(chē)到報廢，汽車(chē)最少要使用10年以上。如果在此期間電池明顯劣化，用戶(hù)被迫更換電池，就會(huì )損害用戶(hù)的電動(dòng)車(chē)體驗，用戶(hù)的經(jīng)濟負擔也會(huì )加重。

　　充電電池利用電化學(xué)反應進(jìn)行充放電，因此因反復使用而導致劣化是不可避免的。目前，EV用戶(hù)必須預先認識到的是：EV使用5年后，電池劣化可能會(huì )造成電池容量下降20～30％。以配備容量為25kWh的電池、可行駛150km的EV為例，電池容量下降可能會(huì )導致行駛距離縮短30～50km。也許用戶(hù)想要更換掉性能劣化的電池，在這種情況下，即便電池單價(jià)為2萬(wàn)日元/kWh，更換電池的費用也需要50萬(wàn)日元。假設每隔5年就要花費50萬(wàn)日元更換一次電池，那么每年所負擔的費用就是10萬(wàn)日元，用戶(hù)需要提前考慮EV維護費。

　　如上所述，電池壽命直接關(guān)系到用戶(hù)的EV擁有成本，因此將會(huì )成為車(chē)載充電電池開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵要素。今后，要廣泛普及EV及PEHV，除了配備成本之外，還要站在降低用戶(hù)的車(chē)輛擁有成本這一角度，對車(chē)載鋰電池進(jìn)行成本評估。作為抗劣化性能較強的車(chē)載鋰電池而備受關(guān)注的是負極使用鈦酸鋰的電池。鋰電池的負極一般使用石墨，但使用鈦酸鋰可以提高耐久性。東芝的實(shí)驗結果表明，負極使用鈦酸鋰的鋰電池與使用石墨的傳統鋰電池相比，壽命可延長(cháng)至6倍。這樣的話(huà)，就不需要在車(chē)輛使用壽命期內因電池劣化而更換電池，也不會(huì )造成用戶(hù)的車(chē)輛擁有成本上漲。東芝目前正在量產(chǎn)使用鈦酸鋰的車(chē)載鋰電池，除了三菱汽車(chē)將在該公司的EV上采用這種電池之外，本田也在考慮將其用于該公司開(kāi)發(fā)的飛度EV上。

　　車(chē)載鋰離子充電電池技術(shù)目前尚且處于發(fā)展階段，各企業(yè)為了進(jìn)一步取得技術(shù)進(jìn)步而在展開(kāi)激烈的競爭。今后，企業(yè)在開(kāi)發(fā)車(chē)載鋰電池時(shí)，不僅要在能量容量、成本及安全性等經(jīng)常存在此消彼長(cháng)（Trade-off）關(guān)系的要素方面實(shí)現優(yōu)化，還要站在性能劣化的影響以及包含維護費在內的用戶(hù)擁有成本的角度，對電池進(jìn)行綜合性能評估。