2013年5月，美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)特斯拉發(fā)布一季度財(cái)報(bào)稱(chēng)，實(shí)現(xiàn)了公司成立10年首次季度盈利。一時(shí)間全球刮起一陣“特斯拉風(fēng)暴”：電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)被打了一劑強(qiáng)心針，美好愿景似乎不再遙遠(yuǎn)；動(dòng)力鋰電應(yīng)用取得突破，廣闊市場(chǎng)就在眼前。受此影響，我國(guó)鋰離子電池以及電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的上市公司股價(jià)節(jié)節(jié)攀升。但就整體低迷的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，特斯拉只是近年來(lái)少有的亮麗風(fēng)景，這也造成動(dòng)力鋰電市場(chǎng)需求低迷。而與之形成鮮明對(duì)比的是，動(dòng)力鋰電的投資熱情高漲。從2010年到2012年，我國(guó)就有超過(guò)90家企業(yè)進(jìn)軍動(dòng)力鋰電領(lǐng)域，擬投資額超過(guò)500億元。在產(chǎn)能劇增和需求不旺的矛盾下，動(dòng)力鋰電的發(fā)展“動(dòng)力不足”顯得尤為突出。
自1991年商業(yè)化以來(lái)，鋰離子電池憑借其優(yōu)良的性能迅速占領(lǐng)了消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)。而作為汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，動(dòng)力鋰電從提出到實(shí)踐、再到產(chǎn)業(yè)化已超過(guò)20年時(shí)間，到目前為何還是“動(dòng)力不足”？其根源在哪里？
動(dòng)力鋰電是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的核心因素
盡管世界各國(guó)都在大力推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)給予大量補(bǔ)貼。然而消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)此反應(yīng)冷淡，到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家的電動(dòng)汽車(chē)保有量能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。以美國(guó)為例，2012年電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售量約5.3萬(wàn)輛，同比2011年的1.75萬(wàn)輛增至迅猛，2013男電動(dòng)汽車(chē)保有量將突破10萬(wàn)輛，但距離2015年100萬(wàn)輛的目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)。而與2012年美國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)高達(dá)1449萬(wàn)輛的總銷(xiāo)售量相比，電動(dòng)汽車(chē)的占比不到0.5%。消費(fèi)市場(chǎng)的疲軟直接導(dǎo)致了電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。而影響電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售的三大重要因素全部都與作為動(dòng)力來(lái)源的動(dòng)力鋰電相關(guān)。
【一】續(xù)航里程短限制了電動(dòng)汽車(chē)的推廣范圍
隨著技術(shù)的不斷成熟，動(dòng)力鋰電的性能不斷提升。以動(dòng)力鋰電作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程已由當(dāng)初的不到100公里增長(zhǎng)至當(dāng)前主流的300公里左右，個(gè)別車(chē)型的續(xù)航里程突破了400公里。但與當(dāng)前燃油汽車(chē)的主流行駛里程500公里相比還有一定差距。另一方面，對(duì)于目前續(xù)航里程300公里的主流電動(dòng)汽車(chē)，動(dòng)力鋰電的重量占車(chē)重的一半左右，這也在一定程度上影響了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。
【二】充電速度慢制約了電動(dòng)汽車(chē)的便捷使用
行駛里程短可以通過(guò)大范圍、密集的充電設(shè)施予以解決，但動(dòng)力鋰電充電較慢成為電動(dòng)汽車(chē)更大的制約。正常速度下，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力鋰電完全充滿(mǎn)需要4到8個(gè)小時(shí)。如果加快速度的話(huà)，可以在1到2小時(shí)內(nèi)充滿(mǎn)，但會(huì)影響到動(dòng)力鋰電的性能及壽命。已有實(shí)驗(yàn)證明，如果一直采用快速充電，動(dòng)力鋰電的壽命會(huì)驟減至原來(lái)的三分之一，且電池性能會(huì)顯著下滑，安全事故發(fā)生概率大大增加。燃油汽車(chē)則不存在這樣的問(wèn)題，加油時(shí)間不超過(guò)5分鐘，安全性和穩(wěn)定性都能夠保證。因此更換動(dòng)力鋰電也成為當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一種思路，但關(guān)鍵在于如何保證各個(gè)廠家動(dòng)力鋰電的型號(hào)一致、性能一致并且不存在安全隱患。
【三】安全事故頻發(fā)極大影響了消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)熱情
從誕生以來(lái)，安全問(wèn)題就一直困擾著鋰離子電池。從手機(jī)、筆記本，到如今的電動(dòng)汽車(chē)，安全事故不斷發(fā)生。除了日產(chǎn)和特斯拉的電動(dòng)汽車(chē)還未有起火報(bào)道，中國(guó)的眾泰和比亞迪、美國(guó)的通用和菲斯克的電動(dòng)汽車(chē)均有自燃或起火事件發(fā)生，這些都與動(dòng)力鋰電相關(guān)。安全事故頻頻發(fā)生，極大影響了消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的購(gòu)買(mǎi)熱情，也成為影響以鋰電為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展最大的阻礙。在動(dòng)力鋰電的安全問(wèn)題沒(méi)有得到解決的前提下，電動(dòng)汽車(chē)想要大規(guī)模普及無(wú)疑是天方夜譚。
除以上三點(diǎn)之外，動(dòng)力鋰電價(jià)格過(guò)高也是制約電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展的因素之一。與同類(lèi)型、同檔次的燃油動(dòng)力汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格一般是燃油汽車(chē)的2倍以上。
動(dòng)力鋰電“動(dòng)力不足”的根源所在
為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，世界各國(guó)紛紛投入大量資金用于動(dòng)力鋰電的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2009年以來(lái)美國(guó)能源部投入超過(guò)20億美元支持以鋰離子電池為主的先進(jìn)動(dòng)力電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化；日本在2011年之前就投入超過(guò)400億日元用于先進(jìn)電池技術(shù)研究；我國(guó)的“863”計(jì)劃也有電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)，投入資金超過(guò)10億元。但各國(guó)動(dòng)力鋰電的研究進(jìn)展都較為緩慢，許多問(wèn)題尚待解決。
目前為止，動(dòng)力鋰電“動(dòng)力不足”主要體現(xiàn)在以下三方面：
【一】 正極材料成為動(dòng)力鋰電的發(fā)展瓶頸
根據(jù)美國(guó)先進(jìn)蓄電池協(xié)會(huì)(USABC)在2005年公布的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池性能指標(biāo)，比能量要達(dá)到200Wh/kg，比功率要達(dá)到400W/kg，循環(huán)壽命要超過(guò)1000次，價(jià)格低于100美元/KWh。而當(dāng)前動(dòng)力鋰電的比功率已經(jīng)超過(guò)了400W/kg，循環(huán)壽命也基本超過(guò)1000次，但比能量在180Wh/kg以下，價(jià)格還在300美元KWh以上。影響動(dòng)力電池關(guān)鍵指標(biāo)無(wú)法達(dá)到要求的關(guān)鍵在于正極材料。一是當(dāng)前幾種常用的正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料的實(shí)際比能量均低于180Wh/kg；二是正極材料的價(jià)格較高，而在鋰離子電池的成本構(gòu)成中，正極材料占比高達(dá)30%-40%，這也使得動(dòng)力鋰電的價(jià)格居高不下；三是正極材料本身特性決定了鋰離子電池充電時(shí)間不能過(guò)快，過(guò)快的話(huà)就易造成正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致電池性能急劇下滑。
【二】電池管理技術(shù)有待進(jìn)一步提高
單體鋰離子電池的容量都不大，不能滿(mǎn)足動(dòng)力需求，往往將多個(gè)單體鋰離子電池通過(guò)串并聯(lián)方式成組，這就涉及到電池管理技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，對(duì)于只有幾個(gè)或者幾十個(gè)單體鋰離子電池的成組，電池管理技術(shù)已經(jīng)較為成熟。然而對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力鋰電，通常單體電池?cái)?shù)量超過(guò)1000個(gè)，如特斯拉汽車(chē)的鋰離子動(dòng)力電池采用的單體電池?cái)?shù)量超過(guò)6000個(gè)，如此龐大的數(shù)量給電池管理技術(shù)帶到了極大的挑戰(zhàn)，也給動(dòng)力電池組安全乃至汽車(chē)安全埋下隱患。自2010年以來(lái)電動(dòng)汽車(chē)因動(dòng)力鋰電造成的起火事件時(shí)有發(fā)生，僅美國(guó)菲斯科汽車(chē)公司就因動(dòng)力鋰電缺陷召回了超過(guò)2500輛電動(dòng)汽車(chē)。
【三】產(chǎn)品安全存在結(jié)構(gòu)性缺陷
就占據(jù)主流的鋰離子電池而言，其結(jié)構(gòu)主要包括了正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液。電解液的主要成分為有機(jī)溶劑和電解質(zhì)(鋰鹽)，其中現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的有機(jī)溶劑為碳酸酯系列(包括環(huán)狀碳酸酯如EC、PC，和鏈狀碳酸酯如DMC、EMC)，而這些都屬于易燃物。當(dāng)鋰離子電池受到劇烈沖擊或者電池溫度過(guò)高的話(huà)，電解液極易燃燒，造成電池起火以及更為嚴(yán)重的安全事故。另外，在鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中，盡管自動(dòng)化程度較高，但人工處理環(huán)節(jié)仍然不少，這一點(diǎn)在我國(guó)鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)更為顯著。這些人工環(huán)節(jié)在一定程度上會(huì)造成單體鋰離子電池出現(xiàn)不一致，給電池管理帶來(lái)不確定性，成為動(dòng)力鋰電的安全埋患。
當(dāng)然，限制動(dòng)力鋰電快速發(fā)展的因素還有很多，包括負(fù)極材料、電解液等關(guān)鍵材料以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等。
筆者認(rèn)為，當(dāng)前鋰離子單體電池想要有明顯突破較為困難，發(fā)展方向也是高電壓、高容量。這即表示動(dòng)力鋰電仍將是多個(gè)單體電池成組。因此，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)動(dòng)力鋰電的發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)在單體電池制造和電池管理系統(tǒng)，確保產(chǎn)品質(zhì)量，將危險(xiǎn)因素將至最低，進(jìn)一步降低成本，這樣電動(dòng)汽車(chē)才有望得到大規(guī)模推廣，從而帶動(dòng)動(dòng)力鋰電市場(chǎng)蓬勃發(fā)展。
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