动力电池发展现状及展望

1、动力电池发展现状及展望2013年国际动力电池市场发展现状与趋势（一）国际电池市场发展概况2013年，世界二次电池市场销售额已经达540亿美元，其中铅酸电池销售额超过330亿美元，位列第一位；锂离子电池接近180亿美元，位列第二位；镍氢、镉镍电池等约30亿美元。19902013年，世界电池市场保持了持续增长态势，其中，锂离子电池是从无到有的变化，增速幅度最大。铅酸电池增速不及锂离子电池，但是其涉及汽车启动、工业（通信、UPS、牵引等），以及近年来轻型电动车快速发展的需求，尽管目前的市场基点高（1990年市场销售已经达160亿美元），但依然处于显著增长中。电池应用领域从电池应用领域看，汽车启动、小

2、型电子产品与工业应用仍是蓄电池的三大传统市场，依然保持较好发展势头（见图1）。其中，小型IT电子产品的快速发展推动了以锂离子电池为主导的小型电池市场的高速发展。同时，动力电池的应用市场开始起步，2013年年底电动自行车电池与电动汽车（HEV、PHEV和EV）的销售额分别为约20亿美元和约40亿美元。其他电动车辆（HEWPHEV.EV）工业（叉车、电信、UPS等）电动自行牟图12013年世界二次电池按应用市场的销售统计电池产业布局和品牌结构从电池产业布局来看，2000年以前全球80%以上锂离子电池产自日本；2000年后，中国及韩国相继投入锂离子电池产业并陆续量产。目前，中国、日本及韩国生产的锂离

3、子电池占全球产量的90%以上。2012年，日本由于受大地震的影响，全球的市场份额下降，已经被韩国所替代。根据赛迪顾问统计数据显示，2013年韩国锂电池产量受益于三星、LG等锂离子电池企业出货量的增加，已经成为全球最大的锂离子电池生产国（见图2）。从企业竞争格局来看，2013年，三星已经成为全球最大的锂离子电池生产商，其在全球的市场份额上升至23.60%，中国的力神、比亚迪、ATL和比克等公司也处于行业前列。在动力电池方面，2013年锂离子动力电池仍处于投入期和小批量的生产阶段。从全球来看，传统锂离子电池生产企业仍然是汽车动力锂离子电池市场的主导者，LG化学、三星SDI、力神、比克等企业纷纷在汽

4、车动力电池领域展开了投资和布局，并具备较大的产能（见图3）。天津为神，6.90%LG化学，16.40%E-One,0.57%比亚迪，5.00%索尼，8.90f三洋（含松下），22.60%麦克赛尔，370%/-其他，4.13%三星SDI,23,60%比克，4.00%ATI.,4.20%图32013年全球小型锂离子电池品牌结构另外，传统锂离子电池通过与汽车企业合资生产动力电池，如NEC与日产合资成立AESC，松下与丰田合资成立PanasonicEVEnergy。锂电池企业通过与汽车企业的合作，在整个新能源汽车产业化初期有利于其渠道的掌控并迅速将动力电池产品用于电动汽车上（见图4）。LG化学，0J9

5、4其他，0.291日立车一辆能源，0.044汤浅，0.138江淼自控，（MM4松下，-083三星SDI0.022AESC,0J84图42013年全球动力锂离子电池品牌结构（二）国际电池市场发展趋势分析由于锂离子电池在能量密度、安全性、成本等方面具有综合优势，随着新能源汽车、非插电式混合动力汽车市场的不断发展，锂离子动力电池近期将成为锂电池产业发展的重点。由于启停装置加能量回收技术成为今后重点推广的节能措施，48V锂离子电池将成为重要发展方向。此外，随着非插电式混合动力车辆销售增加，氢镍电池还将保持一定的市场容量。但是，氢镍电池的市场份额正受锂电池的挤占，除丰田外，其他大部分汽车公司的混合动力汽

6、车已从氢镍电池转向锂离子电池，预期到2015年后采用锂离子电池的HEV市场比例将呈显著上升趋势。二车用动力电池技术发展与应用概述（一）不同电动车辆对动力电池的技术要求与可供选择类型由于混合动力车辆（HEV）涵盖了从微混、轻混、中混、强混、插电式等混合动力车辆，它们对各自所采用的电池技术的要求不尽相同，且供选择的电池类型也呈多样化。插电式混合动力汽车可以依靠纯电驱动行驶，因此其特点与纯电动车辆类似。不同电动车辆对所需动力电池的技术要求如表1所示。表1不同电动车辆对电池的要求与可供选择的适用电池类型微混车辆（微混-1和微混-2）带有启停装置的车辆，电池除了要满足车内音响、照明等电气设备的需要外，还

7、要有频繁输出大电流放电的能力。此外，在为车轮提供动力时，蓄电池需要提供能量支持，以及车载充电机给蓄电池充电时，蓄电池要具备很强的充电性能。与微混-1相比，微混-2是在“启停”基础上增加了制动能量回收装置，要求电池还具备良好的大电流充电能力，并使电池要处于适当SOC状态下工作。此外，电池还必须有足够长的使用寿命。基于以上特点，传统起动型铅酸电池难于满足这些要求，尤其是使用寿命的要求。因此，针对“启停”系统和制动能量回收（大电流充电）要求，对原富液型起动电池进行了技术改进，开发出了增强型富液电池。同时也在原工业型阀控式铅酸电池基础上，开发出性能优于富液电池的AGM电池。这两种电池目前都已经实现了大

8、规模生产，与起动铅酸电池相比成本略有升高，但是依然保持了铅酸电池低廉的价格优势。随着微混车辆的进一步发展，改进型铅酸电池可能成为2020年前铅酸电池市场持续增长的重要基础。轻混车辆（轻混-1和轻混-2）轻混系统要求具有较高的节油率和较低的成本，因此要求电池具有较高的能量密度、高倍率充放电能力（特别是高充电接受能力）、宽广的操作温度区间（特别是低温下）、较长使用寿命及较低的价格等特点。近期发展中的铅碳电池（或超级电池）在轻混与中混HEV上的应用也受到关注。典型的轻混车辆设计方案包括两组电池：一组为铅酸启动电池，另一组采用为48V镍氢电池或48V锂离子电池。当前的技术方案多采用锂离子电池方案，也有

9、采用超级电容器与锂离子电池复合电源的方案。中混与强混车辆中混/强混HEV要求电池始终处于荷电保持中，不要求对电池进行单独充电，一般要求在55%SOC时有30万次循环寿命，电池组能量输出保持在300500Wh,脉冲功率输出保持在2540kW（10sec脉冲期间）。中混/强混HEV要求电池的尺寸较小（能量较低，一般为12kWh），功率与能量输出比率较高（P/E15），显然对HEV电池突出了高比功率特性要求（包括实现制动能量回收的高充电接受能力），一般比功率可超过3kW/kg。因此，目前技术状态下，仅有镍氢动力电池、锂离子电池能满足要求。插电式混合动力汽车（PHEV）电池需要单独运行和单独充电，在要

10、求电池提供的能量可以确保车辆单独运行一定的距离（美国定为1665km）外，还要求电池能在5000次深循环中得到保持；PHEV需要的电池尺寸增加（能量增至515kWh）,但功率与能量输出比率略有下降（P/E=310）。5纯电动汽车（EV）要求电池具有高比能量特性，较多的深度充放电（80%DOD）循环次数。同时，纯电动汽车要装备较大容量和尺寸的电池以满足较长续驶里程的要求，但功率与能量输出比率要求相对较低，一般在3以下。显然，现有锂离子电池技术也只能满足EV的基本要求，离期望的EV电池的目标比能量、比功率尚有距离。由此可以按照电池输出能量与输出功率大小特征，描述三种类型动力电池：高功率输出型（HE

11、V电池）、高能量输出型（EV电池）和功率/能量混合型（PHEV电池）。（二）典型电池产品技术应用进展HEV用动力电池既能提供高功率（高比功率），也要能输出较高的能量。当前，HEV主要采用镍氢电池。随着锂离子电池的不断发展，在满足同样功率的条件下，电池比能量显著提高，并可替代镍氢电池在混合动力汽车上的应用。此外，超级电池、超级电容器等也有可能作为混合动力汽车电池使用。HEV用金属氢化物镍电池（Ni/MH电池）技术进展应用于电动车的高功率型金属氢化物镍电池的主要性能特点是：具有高的充放电比功率及较高的能量密度。如在12kWh总能量及10002000W/kg高比功率输出的情况下，Ni/MH电池可以用

12、1C放电获得4550Wh/kg比能量。当按照能量型电池设计时，该电池的比能量可以提升为6080Wh/kg。图5a图显示出HEV用Ni/MH电池在极高的充放电功率下，以及从10%DOD增至20%DOD能量输出/输入条件下，依然超过HEV的循环寿命目标值，而图5b图则表示按电池重量计算出的放电比功率的提升情况。HEV功率精助循环测试10%摆动-功率10%摆动-能量20%摆动-功率20%摆动-能量功率可用能量TO一25一0051000200000400000600000500800000循环次数老型号(HHR600DV)T-新型号(HHR550DX)110010009008()07006005004

13、00020406080100荷电状态（%）b图5HEV混合动力车用Ni/MH电池典型的充放电功率特性提升丰田汽车Prius混合动力选用的是松下小容量方形高功率电池（6.5Ah），其电池组主要性能在新Prius中得到提升。其中，单体电池数由240只减至228只，电压由288V降至274V；总功率输出由原先21kW提升至34kW；电池包比能量也由44Wh/kg提高至46Wh/kg。金属氢化物镍电池的技术进步主要表现在储氢材料的组分优选，日本FDK公司发展了原三洋研制出的ab3组成与结构的新型储氢合金材料，具有三个关键性能的改进，包括：提升比5容量（由原2400mAh提升至2013年的2450mAh

14、）；提高稳定性、具有良好荷电保持能力（储存后的荷电保持率由采用AB的50%/年提高至2013年的90%/年）；循环寿命由原51500次延长至6000次、高的氢活性，具有良好的低温性能等。采用原先储氢材料的电池在-35C和-40C下几乎不能工作，但2013年500mA新储氢材料电池下还可以分别放出约300mAh和100mAh,这对电动汽车应用非常有意义（见图6）。电池电压(V)o稀土盹ONi等70(RAA珠合金趙晶格合金图6AB负极Ni/MH电池的低温性能与组成结构3.5HEV用超级电容器或与蓄电池复合电源的技术进展混合动力车采用超级电容器的优势在于：低温性能好，可在-40C工作，而一般常规电池

15、在-20C以下难以可靠工作；安全性好，特别是对于公交车，超级电容器是一种安全的电池辅助供电解决方案；寿命长，使电池使用成本大大降低；效率可高达85%95%,而电池在类似大电流工作条件应用中，充放电效率显著降低；瞬间输出功率大，有利于车辆的瞬时加速要求；充电接受能力强，能够有效地回收制动时的能量，并将其储存以满足下一次加速对能量的需求。开发用于混合动力公交车的一种典型超级电容器BCAP0010的性能如表2所列。型号UCAIWIO电容（F2600申联屯U7（宜流）连续电压（）2.5峰值电压2.8400/600循环寿命（次5xl03表2HEV公交车用典型超级电容器的性能指标HEV用动力锂离子电池的技

16、术进展锂离子电池无论比功率还是比能量都能满足各种混合动力汽车的性能要求。随着材料价格下降及锂离子电池规模化生产，成本将不断降低，已经基本具备了与Ni/MH电池的竞争优势。由于锂离子电池可以有多元材料体系构成，因此HEV用动力锂离子电池可以是多元化的，HEV用功率型动力锂离子电池的代表性结构与材料体系，如表3所示。单怵容哉电扱结构正极材料负扱材料电解质关斷机构5Ah方形卷境式NCM石墨/机ECST袪案层膜无5Ah方形卷绕式1AO石墨EC基十法彩圧膜右4.7AI.方形卷绕滤矶碳1基遢搓1咆表3HEV用功率型动力锂离子电池的代表性结构与材料体系单休容量电极结构IF极材料负极材料电解质隔膜关断机构5.

17、2Ah方形套绕式CM/LMO/墨比基卩E/干法多层4.4/4.8Ah方形卷绕式LMO/NCM硬碳/软碳PC基干芯去层膜20Ah方形卷绕式LNMQITOPC基纤维素隔膜有5.3Ah软包装叠层NCM/LMO软碳PC基干法PP有SAh软包装克层.M():0PC基湿法PE有续表表4列出了两种典型HEV用锂离子电池的特性比较。由表4可以看出，采用钛酸锂为负极材料的电池，显示了的几个特点，包括在高功率输出下保持长循环寿命和良好的低温性能。同时该电池体系内部短路安全性极高，原因是：短路时，负极转变成低电子导电的尖晶石结构LTO,使其在短路处有效地抑制了短路放电反应的持续进行，LTO负极上的短路反应要比石墨负

18、极上低三个数量级。LTO负极相对于内部短路的快速反应显示出自我保护功能。此外，还具有1分钟内快速充电、可充入80%额定容量的特性。基于快充电的特性，也被用来设计作为纯电动公交车的动力电源，虽然行驶距离受到限制，但是由于可以快速充电，弥补了其行驶距离不够长的缺点。VJA/C本系LMNO/LTO体系电池结构站合金圆柱壳体铅塑膜软包装6.8Ah3.2AHS40gU7g尺寸翻RcntnX143min(含极柱)110 x72x7mm额足电1土3.7V2.4V25,103籀出功率3470W/kg(7375W/L)4000Vi7kg25,108输入功率22954875W/L)4000W/kg-30X：,10

19、s输出功率570W7kg快充电时间,80滋客趙一1min比能量715Vi-h/kK66W97%3000次250094.1弘在1200次安全性符合国家标准翌求通过测试表72013年我国“863”能量型动力磷酸铁锂/石墨锂离子电池的新进展下面重点介绍比亚迪电池、力神电池的2013年以来的技术进展与应用情况。（1）比亚迪锂离子电池产品比亚迪的动力锂离子电池产品系铝壳方形电池设计，虽然单体电池比能量不高，但是比功率均超过2000W/kg，有利于满足车辆加速和提供高的辅助功率及刹车制动能量回收等要求。表8列出了比亚迪动力锂离子电池产品基本参数与生产现状。型号C11.：4C1216尺寸（nun）1H*17

20、3+11728*1.00*37639*109*4205K+146*41042148+195标称容fi（Ah）256010022575标称电压（V）3.2123.23.2王2比逸竜*h/k百）10210510011S105比功(W/kg)25002500200025002500重量（唸）0.78L853,306.102.30壳体材料钳铝钳铝生产状况规模生产班模生产规模生产规模生产2014-度表8比亚迪电动车用动力锂离子电池产品型号及其基本参数近年来，比亚迪通过生产技术不断改进与完善，其产品性能及质量水平得到不断提升，产品具有长的循环寿命（45C下依然保持较高的循环寿命），良好的温度特性（TOC下

21、可充电，0C充电获得80%额定容量，-30C下放电获得超过90%的额定容量）及安全性（通过了标准规定的所有滥用实验）等。比亚迪电池产品已经用于K9纯电动公交车、e6纯电动轿车、F3DM以及秦等新能源汽车产品。由F3DM发展至秦，电池总能量由16kWh降至13kWh,重量与体积降低了一半，比能量分别由66.6Wh/L和72.7Wh/kg提升至120Wh/L和131.6Wh/kg,提升非常显著（见表9）。参数F3DM爪休址池祁吊（Ah）5026A屯池包尺寸（mm）1K6*967*131953369手307单体屯池数100152体积（I.）240,18107.%重fi(kg)220.175总能量kW

22、-h）1613标称屯JK（V）330500电池形狀1I表9比亚迪秦所用动力锂离子电池主要参数2）力神锂离子电池产品力神电池股份有限公司是国有股份制大型锂离子电池企业,也是最早涉及动力电池开发与生产配套的企业之一。2013年力神动力电池年产能已达32亿Wh,其主要动力电池产品涵盖了HEV、PHEV、EV和电动自行车应用的产品型号。其中，7.5Ah铝壳方形功率型动力电池是已经规模生产与应用的磷酸铁锂（LFP）电池（见表10）。据号韭压（巧容量（Ah）尺寸*W*H(DH,tnrti)正极材料LP24569O3.610.S24*56*90NCME-bikeLP277OU23.27.52770*112L

23、IPHEVLP27701023.21227#了0?102LFPEV/L-bikeLP27701203.216.527*70120LFFEVLP277O1343,22027*70*134IIPEVLE2714B973.22027*148*97LFPlHI：VLP271701203.23527來170*120LITEVLP441471323,24744147*!32IIPEyLm4J47723.27044*147*172lITEVLP441472723一212544*H7+272LFPEVLK1865LC3.21.35D=I8H=65ITPEVLFL1865SD3.62D=ISH=65NCM+1.

24、COEVPP091O51343,65109羽105*134NCM1*1E、PP071502403.65207*150240NCMlHEVPlt063(X)3003.65506*3003OTNCMIA表10力神已生产的动力锂离子电池产品型号与基本参数此外，力神公司的能量型LFP正极/石墨负极锂离子电池也已投入规模生产与应用，并应用于纯电动轿车及城市公交车辆。到2013年年底采用力神电池的天津市城市公交纯电动巴士已实现安全运行699天；累计服务车次达6万次，运行总里程已超过366万公里，累计充电电量为540万kWh。其中，累计正向电量为516万kWh,累计回馈电量有137万kWh,其能耗比为1.4

25、8kWh/km（正向电量/运行里程），一年的模组容量衰减约3%（采用了主动均衡模式，电池的一致性表现良好）。2013年，力神在原LFP电池技术基础上，开发出采用NCM正极的高性能能量型动力电池产品，以及针对启停、微混车辆配套的钛酸锂（LTO）负极功率型动力电池产品，如表11所列。力神电池的5.5Ah铝壳方形电池与6.5Ah软包装电池采用了三元NCM正极材料，负极采用软碳材料，使电池电压提升为3.63.65V，比能量分别提升至85Wh/kg和110Wh/kg，而电池比功率保持在4000W/kg的高位上。如果这类电池能够满足使用寿命与安全要求，将具有较大竞争力16Ah电池采用了钛酸锂负极，电池电压

26、下降至2.5V，但保留了极高的比功率特性，适用于“启停”系统或轻混48V电源系统的单体电池产品。同时，2013年力神也研制出一款EV用3.2Ah18650电池，采用富镍三元材料NCA为正极材料，4.2V体系，能量密度达670Wh/L、240Wh/kg。该电池仅低于特斯拉纯电动车使用3.4Ah的18650电池HKV徽曲启停应用松下公司NCA正极的锂离子电池）。方形电池方宠屯池圆柱形电池USSIEN单休电池形然与尺寸（mm）Appnoho-t27*70*11227*70*11212*120怒跖60114标称容星轴）标称电甩（门比功率Wk吕）比能丘（Wh/kg）生产状态7.512166.5162.5

27、20004000400040006285110批城生产供货捉供样品提供样屈表11力神开发与生产的启停、微混用功率型电池产品主要性能参数动力电池材料发展概况2013年，我国锂离子电池产业发展中具有重要推动作用的是材料国产化发展加速，一些大型材料企业正在逐步发展起来，我国动力电池的产业化发展已经有了基本的材料国产化支撑，一旦市场形成与需求增大，也将进一步推动我国材料产业的加速扩展。（1）正极材料生产企业：天津巴莫（LCO、NMC）、北京当升（LCO、NMC）、北大先行（LCO、NMC）、中信国安盟固利（LCO、LMO）、湖南瑞祥（LCO、NMC、LMO）、杉杉（LM0、NMC）、浙江金和（NMC）

28、、BYD（LMO、LFP）、Aleese（LFP）、斯特兰（LFP）等。其中，一些公司已经批量供应给大型国外锂离子企业，如三星、索尼、LG等。（2）负极材料生产企业：深圳BTR（改性天然石墨、MCMB、Si碳复合材料等）和杉杉（MCMB）、成都兴能等。其中，BTR已经成为世界最大的天然石墨负极材料供应商；此外，成都兴能的LTO负极已经形成规模生产，其产品性能得到诸多用户评价或应用认可。（3）电解质生产企业：国泰华荣、广东天赐、杉杉、新宙邦、多氟多、天津金牛等已经成为世界知名锂离子电池电解质供应商；特别是到2013年年底，我国锂离子电池电解质中的关键材料LiPF6已实现大规模产业化生产，其中河南

29、多氟多LPF6材料，不仅实现了规模量产，而且保障了产品的质量优异。河南多氟多在LPF6材料典型测试数据显示，其主含量达99.98%（行标：99%）；DMC不溶物：144ppm（行标：WIOOOppm）；水含量：0.7ppm（行标：W20ppm）；游离酸（HF）：74ppm（行标：W150ppm）等。国产LiPF6具有明显的市场价格优势，国内LPF6售价约为50120元/kg（或820美元/kg），而国外材料价格约1230美元/kg。（4）隔膜生产供应企业：三家最大的隔膜企业是广东氟塑、深圳星源和河南中科，其他新的生产企业也在建设中。（二）我国动力氢镍电池产业现状我国氢镍电池产业规模较小，相关电

30、池企业数量仅有几十家，其中涉及动力电池的主要有湖南科力远、江苏春兰、湖南神舟及上海万宏等企业。此外，山东淄博国利公司正在生产公交车用的电容电池也是基于镍氢电池技术发展起来的。湖南科力远于2011年收购了日本的湘南CORUNENERGY株式会社。日本的湘南CORUNENERGY株式会社原给丰田普锐斯配套。目前，湘南CORUNENERGY株式会社的生产依然有序进行，已销售17万套车用氢镍动力电池，并取得了盈利。而湖南科力远下属企业湖南科霸汽车动力电池有限责任公司生产的方形氢镍电池，已为上海华普和一汽集团配套。江苏春兰集团开发与生产容量为8100Ah氢镍电池，主要配套于混合动力城市客车，且达到规模化生产和商业化应用。其电池P/E比值适中，能量密度为6070Wh/kg，功率密度为12001500W/kg，可进行1030C的放