中国纯电动客车电池分析

2014年12月新能源动力电池分析2目录新能源动力电池分析一、动力电池概述二、纯电动汽车动力电池介绍三、锂离子电池性能分析附件一、锂离子电池介绍附件二、动力电池生产企业及产品分析3一、动力电池概述电池是电动汽车的动力源泉，也是电动汽车的核心关键。动力电池需求特点：电池的可靠性达到车用需求；电池使用寿命长，深度放电时循环次数达到车用要求；充电时间短；蓄电池尺寸和质量小；环境适应性强；电池在使用过程中单体电池健康状态变化一致，不影响整体性能；功率密度和能量密度高；不存在环境污染问题；成本低。目前电动汽车应用的主要动力电池种类有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和氢燃料电池。4电池常用术语和技术指标一、动力电池概述容量：在规定条件下，完全充电的蓄电池能够提供的电量，通常用安时（A.h）表示。充电率：蓄电池充电时用安培表示的电流完全充电状态：当蓄电池内所有可利用的活性物质都已转变成完全充电的状态。过充电：完全充电后仍延续的充电。急充电：通常是以高倍率短时间的一种部分充电。涓流充电：为补偿自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。热失控：在恒压充电期间发生的一种临界状态。此时，蓄电池的电流及温度发生一种累积的互相增强的作用并逐渐增强导致蓄电池的损坏。开路电压：开路时，蓄电池正、负极间的电位差。负载电压：蓄电池输出电流时端子间的电压。终止电压：认为放电终止时的规定电压。5目录新能源动力电池分析一、动力电池概述二、纯电动汽车动力电池介绍三、锂离子电池性能分析附件一、锂离子电池介绍附件二、动力电池生产企业及产品分析6二、纯电动汽车动力电池介绍铅酸电池铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。自1859年法国人G.plante发明铅酸电池以来，经过一百多年的发展，技术不断更新，现已被广泛应用于汽车、通信、电力、铁路、电动车等各个领域，成为世界上产量最大、用途最广泛的蓄电池品种。优势：价格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和适于大电流放电等。劣势：能量、功率比较低，可能存在着严重的二次污染问题。汽车行业应用：被广泛用于车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车以及送报车上。7镍氢电池镍氢电池（NiMH）是由氢离子和金属镍合成的电池，由镍镉电池（NiCd）改良而来的，其以能吸收氢的金属代替镉（Cd）。镍氢电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金为负极活性物质，氢氧化钾水溶液为电解液，为绿色环保型电池。由美国人StanfordOvshinsky发明于1960年左右，是目前技术最为成熟、应用最为广泛的动力电池。优势：能量密度较高，无记忆效应，循环寿命长；可大电流放电，承受过充电、过放电能力强；无污染。劣势：负极材料为稀土合金材料，成本较高；自放电速度大；比能量较小，使得镍氢动力电池续航能力较低。汽车行业应用：混合动力汽车、纯电动汽车。二、纯电动汽车动力电池介绍8燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。优势：燃料电池是通过燃料与氧化剂的化学反应直接将化学能转变成电能，没有中间的能量转化环节，因而这种发电方式能量转化效率可高达50％。燃料电池发电过程，机械部件很少，噪声低；化学反应的排出物主要是水蒸气等洁净的气体，不会污染环境。燃料电池中所使用的燃料，既可是天然气、煤气和液化燃料，也可以是甲醇、沼气乃至木柴。劣势：燃料电池造价偏高。如功率100瓦相当于1.8L排量的氢燃料电池汽车，仅氢燃料电池组的成本就接近100万元人民币；北京市引进的三辆“零排放”燃料电池公交车，每辆成本更是高达千万。氢气储存技术、氢燃料基础建设不足等。二、纯电动汽车动力电池介绍9锂离子电池锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。锂电池目前在汽车行业里应用最为广泛，发展前景广阔，未来电池发展可能在锂电池上突破；主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂及三元材料电池，下文着重介绍锂电池。1970年美国人M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂离子电池。优势：单体电池工作电压高达3.7V，是镍镉电池，镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍。重量轻，比能量大，高达150Wh/Kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍。体积小，高达到400Wh/L，体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。循环寿命长，循环次数可达1000次，使用年限可达3-5年，寿命约为铅酸电池的两到三倍。自放电率低，每月不到5%。无记忆效应，可以随时随地进行充电。无污染，锂电池中不存在有毒物质，因此被称为绿色电池。劣势：电池高温或低温性能差，电池性能衰减严重等。汽车行业应用：涵盖纯电动车、油电混合车、电动摩托车、电动自行车等。二、纯电动汽车动力电池介绍10主要参数铅酸电池镍氢电池锂离子电池燃料电池比能量(wh/kg)35~4060~80100~190500比功率(w/kg)50160-230280~320100体积比能量(wh/L)80100-200200~5001000电压(v)21.23.2~3.70.6~0.8工作温度(℃)-20~6020~60-20~60-自放电率4-5%30-35%5%极低循环寿命(次)300~500600~8002000-优点原材料丰富、价廉、技术成熟。高倍率放电性好、耐过充、过放电能力强、安全性好。能量密度高，工作电压高，输出功率大，自放电小，寿命长。能量密度高、能量转换率高、性能稳定、安全性好、环保。缺点比能量低、寿命短、耐过充放差、污染环境。工作电压低、自放电率高。成本高、弱高/低温性能、安全性能较低。成本非常高、氢气储存技术、氢燃料基础建设不足。汽车行业应用车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车以及送报车上混合动力汽车、纯电动汽车涵盖纯电动车、油电混合车、电动摩托车、电动自行车等纯电动汽车锂离子电池现阶段内更符合动力电池的需求标准。注：比能量和比功率，分别代表电池的可持久性（续航里程）和力量大小（加速性能）。动力电池性能比较二、纯电动汽车动力电池介绍11目录新能源动力电池分析一、动力电池概述二、纯电动汽车动力电池介绍三、锂离子电池性能分析附件一、锂离子电池介绍附件二、动力电池生产企业及产品分析12锂离子电池组成成分主要包括正极、负极、隔膜和电解液四大类材料，其中正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，约占锂离子电池电芯材料成本的30%-40%左右。锂电池的分类主要依据电池的正极材料，根据锂电池正极材料对锂电池进行命名（如钴酸锂电池，锰酸锂电池等），目前常用的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种；负极材料一般采用碳类材料及钛酸锂。组成部分成本占比常用材料正极30%-40%钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂。负极15%-20%石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中间相碳微珠、钛酸锂。隔膜15%-20%聚乙烯或聚丙烯微孔膜。电解液5%-10%碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、二甲氧基乙烷（DME）。锂离子电池主要材料构成及其成本锂离子电池主要材料构成三、锂离子电池性能分析13不同正极材料锂离子电池性能比较正极材料钴酸锂（LiCoO）锰酸锂（LiMnO）三元材料Li（NiCoMn）O等磷酸铁锂（LiFePO）工作电压（V）较高高较高低比容量（mAh/g）较高低高较低比能量（Wh/L）高较低较高低循环寿命差差较差好成本高低较高较低安全性差较好较差好高温性能好差好好低温性能好好好差优点工艺成熟。价格低，耐过充性好。无过充和过放电限制；高温稳定性好，比容量高。优良的循环性、安全性和稳定性。缺点成本高，循环寿命低；存在安全隐患，更适合小容量单体电池。比能量低，充放电时容量衰减严重，循环寿命低。充放电时结构欠稳定，安全性能低，技术成熟度较低。导电性差、一致性问题严重、低温性能差。总结小型消费品电池使用广泛，没有完全进入汽车领域，目前在纯电动汽车行业应用较少。较有前景的锂电池，但安全性较差，加大安全性领域研发，未来应用将不可低估未来将成为市场的主流，加大对三元材料的研发，将具有非常广阔的应用前景目前最理想的正极材料锂电池，具有无法可比的安全性能和循环寿命三、锂离子电池性能分析14国家企业正极材料中国大陆力神磷酸铁锂、三元镍钴锰、锰酸锂中国大陆比克磷酸铁锂中国大陆光宇磷酸铁锂中国大陆比亚迪磷酸铁锂中国大陆ATL磷酸铁锂、三元镍钴锰、锰酸锂中国台湾有量磷酸铁锂、三元镍钴锰、锰酸锂中国台湾兰阳磷酸铁锂中国台湾必翔磷酸铁锂中国台湾昇阳磷酸铁锂中国台湾能元磷酸铁锂、锰酸锂日本东芝锰酸锂日本松下三元镍钴锰/镍钴铝、镍氢电池日本三洋三元镍钴锰、镍氢电池日本SONY磷酸铁锂日本NEC锰酸锂韩国LGC锰酸锂韩国SBL(三星与BOSCH合资)锰酸锂美国A123(已被万向集团收购)磷酸铁锂美国江森自控(Johnson-control)三元镍钴铝美国EnerDel锰酸锂、三元镍钴锰磷酸铁锂安全性好，中国企业以磷酸铁锂为主。锰酸锂能量密度高，未来在效率提升上较有发展，日韩企业以锰酸锂和三元材料为主。中日韩美动力电池企业采用不同的材料体系三、锂离子电池性能分析15目前影响电动汽车商品化和实用化进程的关键因素是电动汽车的续驶里程和电池的使用性能(包括电池的充电时间、安全性、价格和使用寿命等)。在选择电池的容量时，既要满足汽车的续驶里程的设计要求，又要考虑整车的空间结构和底盘承载能力；磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料是目前在纯电动客车领域已经产业化的三种正极材料，各有优缺点，各有支持者。比克、比亚迪、力神和ATL被称为锂电行业四大巨头，仅比克以三元材料电池为基础，其它三家均坚持磷酸铁锂路线；锂离子电池，尤其是把磷酸铁锂作为正极材料的技术路线，产业化配套逐步成熟、产业渐成规模、技术水平逐步提升，性价比较高，再加上其他材料动力电池的应用经验不足，因此，磷酸铁锂电池是目前纯电动客车配套使用最广泛的的电池类型，达到80%以上；小结三、锂离子电池性能分析16目录新能源动力电池分析一、动力电池概述二、纯电动汽车动力电池介绍三、锂离子电池性能分析附件一、锂离子电池介绍附件二、动力电池生产企业及产品分析17钴酸锂最先实现商品化的锂离子电池优势：生产工艺简单、放电电压高、充放电电压平稳、比能量高等优点，在小型消费品电池领域中具有重要应用。劣势：成本高，且不利于环保。钴资源短缺价格昂贵，并且钴有放射性，不利于环保。比容量利用率低。电池正极实际利用比容量仅为其理论容量274mAh/g的50%左右。电池寿命短。钴酸锂的循环寿命一般只有500次左右，因为其抗过充电性能较差，轻微过充即可引起电池循环寿命迅速降低，不适合用于电池组。安全性差。钴酸锂电池剧烈过充可能发生锂枝晶短路，引起安全事故。由于安全问题和高昂的价格，钴酸锂正极材料始终没有完全进入动力电池领域。Tesla旗下首款车型Roadster推出时使用的是18650钴酸锂电池，特斯拉采用钴酸锂电池的一个重要原因是：电池能量密度高。但其第二款量产车型ModelS使用的是松下定制的三元材料电池，即镍钴铝三元正极材料电池。钴酸锂电池成本高的特征在Tesla前后两款车型的对比中表现得十分明显。ModelS使用的电池数量达到8000以上，比Roadster高出一千多节，但是成本却下降了30%，这正是得益于三元电池较好的成本控制。附件一：锂离子电池介绍18锰酸锂较有前景的锂离子正极材料之一优势：相比钴酸锂等传统正极材料，锰酸锂具有资源丰富、成本低、无污染、倍率性能好等优点，具有较高的氧化还原放热稳定性，充放电循环