企業(yè)對正極材料的選擇各不相同

圖1：車載鋰電池的正極材料與采用廠商

　　電池的性能與成本取決于材料、構(gòu)造及控制，其中最重要的是材料的選擇。各電池廠商必須從多種候選材料中作出最優(yōu)選擇。目前已開始量產(chǎn)或計劃今后1～2年內(nèi)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、錳類、NCA類及磷酸鐵類4種（圖1）。傳統(tǒng)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晶體構(gòu)造不夠穩(wěn)定，在車載電池用途方面存在著安全性問題。因此，在開發(fā)車載鋰電池時，技術(shù)人員嘗試并開發(fā)出了可代替鈷酸鋰的新材料。

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

　　NCA類材料的NCA是鎳、鈷、鋁3個詞的字頭縮寫。NCA類材料用鋁代替了三元類材料中的錳。NCA類材料〔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力車上。NCA類鋰電池一般來說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。

　　錳類材料使用錳酸鋰（LiMn2O4）。這類材料已被日本、韓國及美國的電池廠商廣泛采用，目前是車載電池的主流。主要廠商包括為日產(chǎn)LEAF（中國名：聆風）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，以及為戴姆勒、寶馬及北京汽車供應電池的江森自控-Saft（Johnson Controls-Saft）等。錳類材料與三元類及NCA類材料相比，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(gòu)造，因此熱穩(wěn)定性出色，安全性高。另外，錳與鈷及鎳相比，原材料價格便宜，成本優(yōu)勢也較大。原材料價格由高到低依次為鈷、鎳、錳，如果將鈷的價格看做10的話，那么鎳就是5，而錳則不到1。

　 磷酸鐵類（LiFePO4）材料是中國廠商使用較多的正極材料。這類材料因磷（P）與氧（O）結(jié)合緊密，即便電池內(nèi)部發(fā)熱，晶體構(gòu)造也不易遭到破壞，因此安全性高。磷酸鐵類材料以前因電傳導性低，存在輸出功率難以提高的問題，但通過在正極材料上包覆微細化碳改善了特性，大幅推進了實用化進程。此類材料的優(yōu)點除了安全性之外，另一優(yōu)勢在于材料成本。鐵的原材料價格比錳還便宜，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(nèi)的總成本未必便宜。

成本目標是降至與消費類產(chǎn)品用鋰電池相當?shù)?萬日元/kWh

圖2：通用Volt與日產(chǎn)LEAF

　　目前，日本廠商的車載鋰電池成本約為10～12萬日元/kWh，中國廠商為其一半。按電池成本為10萬日元/kWh來計算電動車的電池成本時，配備16kwh電池的通用Volt為160萬日元，配備24kwh電池的日產(chǎn)LEAF為240萬日元（圖2）。僅電池成本就相當于一輛車的價格。也就是說，目前EV及REV（改裝EV）與相同級別的汽油車相比，成本會是兩倍。要推動電動汽車的普及，必須降低電池的成本。

　　車載鋰電池的成本目標是降至消費類產(chǎn)品用鋰電池的水平。消費類產(chǎn)品用鋰電池的成本約為2萬日元/kWh。如果以2萬日元/kWh計算的話，Volt的電池成本為32萬日元，LEAF為48萬日元。電池成本可分別降低128萬日元與192萬日元。將下降的電池成本反映到車輛價格中的話，Volt的價格可降至200萬日元，LEAF可降至185萬日元。如果成本能夠下降到這種水平，電動車就能實現(xiàn)普通消費者也買得起的價格。

圖3：車載鋰電池開發(fā)藍圖

　　2萬日元/kWh這一成本也與日本及中國的車載鋰電池發(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)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）編制的車載充電電池開發(fā)藍圖中，成本目標為2015年降至3萬日元/kWh，2020年降至2萬日元/kWh。在中國政府公布的電動汽車技術(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）。

　　電池廠商的態(tài)度也為車載電池成本實現(xiàn)2萬日元/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時表示，該公司正在推進鋰離子充電電池的開發(fā)，目標是到2017年前后，使其與現(xiàn)在的產(chǎn)品相比價格減半性能翻倍。價格減半性能翻倍便意味著每kWh的價格要降至目前的四分之一。假設目前的電池成本為10萬日元/kWh，那么2017年的成本就是2.5萬日元/kWh。另外，LG化學公司的高管在2011年2月舉行的國際會議上表示，該公司將要量產(chǎn)的車載鋰離子充電電池的價格為350～400美元/kWh（約28,000～32,000日元）。LG化學所說的350～400美元/kWh這一價格被認為考慮了該公司將來要降低的成本。

　　降低電池單位容量價格的驅(qū)動力是高容量化以及提高生產(chǎn)效率。高容量化方面，目前消費類產(chǎn)品用鋰電池的能量密度已接近250Wh/kg，而車載鋰電池只有約100Wh/kg。車載鋰電池在提高能量密度方面尚有余地。降低電池單價的另一驅(qū)動力是提高生產(chǎn)效率，這一點可主要通過以擴大規(guī)模來獲得量產(chǎn)效果、改善工藝以及降低生產(chǎn)設備的成本等措施來實現(xiàn)。Automotive Energy Supply公司就其今后的車載充電電池量產(chǎn)計劃表示，將從2011年開始量產(chǎn)可供5萬輛EV使用的電池單元，2013年前后將把產(chǎn)量提高至50萬輛EV的用量。

不可忽視的電池性能劣化問題

　　車載鋰電池不可忽視的要素是存在電池劣化問題。從購買新車到報廢，汽車最少要使用10年以上。如果在此期間電池明顯劣化，用戶被迫更換電池，就會損害用戶的電動車體驗，用戶的經(jīng)濟負擔也會加重。

　　充電電池利用電化學反應進行充放電，因此因反復使用而導致劣化是不可避免的。目前，EV用戶必須預先認識到的是：EV使用5年后，電池劣化可能會造成電池容量下降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導致行駛距離縮短30～50km。也許用戶想要更換掉性能劣化的電池，在這種情況下，即便電池單價為2萬日元/kWh，更換電池的費用也需要50萬日元。假設每隔5年就要花費50萬日元更換一次電池，那么每年所負擔的費用就是10萬日元，用戶需要提前考慮EV維護費。

　　如上所述，電池壽命直接關(guān)系到用戶的EV擁有成本，因此將會成為車載充電電池開發(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，還要站在降低用戶的車輛擁有成本這一角度，對車載鋰電池進行成本評估。作為抗劣化性能較強的車載鋰電池而備受關(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。東芝的實驗結(jié)果表明，負極使用鈦酸鋰的鋰電池與使用石墨的傳統(tǒng)鋰電池相比，壽命可延長至6倍。這樣的話，就不需要在車輛使用壽命期內(nèi)因電池劣化而更換電池，也不會造成用戶的車輛擁有成本上漲。東芝目前正在量產(chǎn)使用鈦酸鋰的車載鋰電池，除了三菱汽車將在該公司的EV上采用這種電池之外，本田也在考慮將其用于該公司開發(fā)的飛度EV上。

　　車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)為了進一步取得技術(shù)進步而在展開激烈的競爭。今后，企業(yè)在開發(fā)車載鋰電池時，不僅要在能量容量、成本及安全性等經(jīng)常存在此消彼長（Trade-off）關(guān)系的要素方面實現(xiàn)優(yōu)化，還要站在性能劣化的影響以及包含維護費在內(nèi)的用戶擁有成本的角度，對電池進行綜合性能評估。