企業(yè)對(duì)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(jì)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(shí)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(shí)，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(dòng)車供應(yīng)鋰電池的三洋電機(jī)，以及為本田開發(fā)的PHEV供應(yīng)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(gè)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(dòng)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(fù)極上涂覆陶瓷層等措施提高了耐熱性，從而強(qiáng)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(fēng)）供應(yīng)電池的Automotive Energy Supply，為三菱iMiEV供應(yīng)電池的Lithium Energy Japan，為通用Volt供應(yīng)電池的LG化學(xué)，以及為戴姆勒、寶馬及北京汽車供應(yīng)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(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，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(dǎo)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(xì)化碳改善了特性，大幅推進(jìn)了實(shí)用化進(jìn)程。此類材料的優(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(jì)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?jiǎng)?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(fèi)人力與物力，因此包含制造費(fèi)用在內(nèi)的總成本未必便宜。

成本目標(biāo)是降至與消費(fèi)類產(chǎn)品用鋰電池相當(dāng)?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(jì)算電動(dòng)車的電池成本時(shí)，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(dāng)于一輛車的價(jià)格。也就是說，目前EV及REV（改裝EV）與相同級(jí)別的汽油車相比，成本會(huì)是兩倍。要推動(dòng)電動(dòng)汽車的普及，必須降低電池的成本。

　　車載鋰電池的成本目標(biāo)是降至消費(fèi)類產(chǎn)品用鋰電池的水平。消費(fèi)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(jì)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(jià)格中的話，Volt的價(jià)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(dòng)車就能實(shí)現(xiàn)普通消費(fèi)者也買得起的價(jià)格。

圖3：車載鋰電池開發(fā)藍(lán)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(lán)圖所提出的目標(biāo)值一致。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）編制的車載充電電池開發(fā)藍(lán)圖中，成本目標(biāo)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(dòng)汽車技術(shù)藍(lán)圖中，2015年中國的電池成本目標(biāo)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(shí)現(xiàn)2萬日元/kWh這一目標(biāo)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(shí)表示，該公司正在推進(jìn)鋰離子充電電池的開發(fā)，目標(biāo)是到2017年前后，使其與現(xiàn)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每kWh的價(jià)格要降至目前的四分之一。假設(shè)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(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)所說的350～400美元/kWh這一價(jià)格被認(rèn)為考慮了該公司將來要降低的成本。

　　降低電池單位容量價(jià)格的驅(qū)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(fèi)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(jià)的另一驅(qū)動(dòng)力是提高生產(chǎn)效率，這一點(diǎn)可主要通過以擴(kuò)大規(guī)模來獲得量產(chǎn)效果、改善工藝以及降低生產(chǎn)設(shè)備的成本等措施來實(shí)現(xiàn)。Automotive Energy Supply公司就其今后的車載充電電池量產(chǎn)計(jì)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(bào)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(huì)損害用戶的電動(dòng)車體驗(yàn)，用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)也會(huì)加重。

　　充電電池利用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行充放電，因此因反復(fù)使用而導(dǎo)致劣化是不可避免的。目前，EV用戶必須預(yù)先認(rèn)識(shí)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(dǎo)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(jià)為2萬日元/kWh，更換電池的費(fèi)用也需要50萬日元。假設(shè)每隔5年就要花費(fèi)50萬日元更換一次電池，那么每年所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用就是10萬日元，用戶需要提前考慮EV維護(hù)費(fèi)。

　　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(huì)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(duì)車載鋰電池進(jìn)行成本評(píng)估。作為抗劣化性能較強(qiáng)的車載鋰電池而備受關(guān)注的是負(fù)極使用鈦酸鋰的電池。鋰電池的負(fù)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(yàn)結(jié)果表明，負(fù)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(huì)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(jìn)一步取得技術(shù)進(jìn)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(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（Trade-off）關(guān)系的要素方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，還要站在性能劣化的影響以及包含維護(hù)費(fèi)在內(nèi)的用戶擁有成本的角度，對(duì)電池進(jìn)行綜合性能評(píng)估。