新能源汽车用动力电池的发展趋势

在“十一五”新能源汽车重大项目的积极推进下,我国逐步确立了新能源汽车发展“三纵三横”的总体路线。其中,“三纵”是指混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车, “三横”指多能源动力总成控制系统、电机及其控制系统和电池及其管理系统。“三纵三横”的提出,对于我国新能源汽车实现“弯道超车”战略提供了清晰的发展路径。

在“三纵三横”路线中,电池及其管理系统既是新能源汽车的核心,也是传统汽车系统从未涉及的新领域。一方面,动力电池是决定新能源汽车的续航里程和充电时间的核心零部件;另一方面,动力电池及其管理系统是新能源汽车安全使用过程中最大的风险点;此外,动力电池还是新能源汽车中成本占比最大的零部件系统,而且其使用寿命会直接影响新能源汽车全寿命使用成本。因此,毫不夸张的说,动力电池及其管理系统是新能源汽车是否能够普及的核心因素。

现有新能源汽车动力电池主要采用锂电池体系,包括三元锂电池和磷酸铁锂电池两大类。三元锂电池具有较高的能量密度,在相同体积和重量的情况下,可以为新能源汽车提供更长的续航和更好的性能表现。磷酸铁锂电池能量密度低于三元锂电池,但具有较高的安全性和较低的成本,随着电池封装技术的发展,磷酸铁锂电池组也能够为新能源汽车提供满足大部分消费者所期望续航里程的产品方案。新能源汽车制造企业一般在长续航版本/高性能版本电动车中采用三元锂电池以确保更好的动力性能和更长的续航里程,而在基础版本中采用磷酸铁锂电池以降低成本,实现产品的高低搭配。

下一阶段,为进一步提升动力电池的安全性和更高的能量密度,固态与半固态电池将成为下一代产品的发展方向。通过将液态的电解液变为固态/半固态,可以抑制锂枝晶、降低燃烧和爆炸风险,且固态电解液不会泄漏、不会在高温下发生副反应,大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路,也不会因产生气体而发生燃烧。同时,固态电池可以采用金属锂直接作为负极,显著减少负极材料的总量,进而提升能量密度。当然,固态电池存在的界面阻抗大和制造成本高的问题,因此在大规模应用前还需进一步研究。

另一方面,钠离子电池也被视为锂离子电池的一种低成本替代方案而受到关注。钠离子由于储量丰富,来源广泛,因此材料成本低于锂离子电池,而且钠离子电池在低温性能和充电倍率方面也好于锂离子电池。但是钠离子电池的能量密度只有100-150kW/kg,远低于三元锂电池,即使与磷酸铁锂电池比较也明显处于劣势。国内新能源汽车用锂离子电池产业通过近十年的发展,已经形成了完整的上下游产业链。锂离子电池虽然材料成本高于钠离子电池,但是制造成本更有优势。随着前阶段暴涨的锂价回归正常水平,钠离子电池的成本优势已经不明显。因此锂离子电池在新能源汽车领域还将处于主流地位,而钠离子电池可能更多在储能、电动自行车等领域对于传统电池形成替代。

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