动力电池-电动汽车的“CPU”（二）

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4. 汽车动力电池路线图

　　电动汽车的核心部件是动力电池及管理系统,无论是培育市场阶段还是快速发展阶段，有较高技术壁垒的关键零部件--动力电池及管理系统，都将是最先受益和持续受益的环节，很可能获得超额收益。而其他如车身等传统零部件仅仅只能获得平均收益。

　　电动汽车完全依赖车载电池储存的有限能源，且需要应对各种复杂工况，这对动力电池性能、电机及控制技术提出了高效率、动能再生利用、高功率密度、高起动力矩、低噪声和低振动、良好的调速性和可控性，以及高可靠性、长寿命、易维护等技术要求。

　　动力电池 － 电动汽车产业的瓶颈和核心

　　动力电池作为电动汽车的能量来源，是电动汽车产业链的核心，其作用相当于传统汽车的“汽油”，电脑的“CPU”。电池材料的电化学特性决定了电池的基本性能，如容量、功率和安全性，电池材料决定电动汽车能否快速发展，取代传统汽车的关键因素。

　　全球动力电池产业目前面临技术制约和成本制约，只有当动力电池性能得到改善、成本大幅降低、规模化应用之后，才能带动其他较为成熟的环节的大力发展，如电机和电控系统等。因此我们认为动力电池是电动汽车产业链中最具投资价值的环节，最有可能获得超额收益，其他如电机和电控系统环节有较为成熟技术和市场基础，竞争者众多，可能只能获得平均收益。


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4.1 铅酸电池

　　铅酸电池是目前应用最广泛、技术最成熟，唯一大批量生产和应用的动力电池，主要用于汽车和电动自行车。

　　缺点：用于电动自行车，仅能使用1.5～2 年；比能量、比功率和能量密度都比较低，充电时间长；笨重，重量是同等容量锰酸锂电池的3 倍。
　　优点：单价最低，可高倍率放电。

　　应用范围：三分之一用于电力、交通、信息等产业备用电源，在汽车、叉车等运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地位。我国95%以上的电动自行车电池采用铅酸蓄电池。

　　铅酸电池技术最为成熟，虽然其比能量、比功率和能量密度都比较低，但较高的性价比及高倍率放电性能，成为目前唯一大批量生产的电动汽车用电池。但是只要想像一下用叉车、吊车将成吨的电池组装上电动公交车的艰难情景(因充电慢，分多组轮流使用)，就可预见其黯淡的未来。

4.2 镍氢电池

　　镍氢电池已成功应用于丰田Prius 混合动力汽车，目前应用较为成熟的动力电池，搭载镍氢电池的混合动力汽车全球销量已超过170 万辆。

　　缺点：续航能力差，低温性能差，技术提升空间不大；适合大电流快速充放电、耐过充放电能力强；只能用于汽车的辅助动力，纯电动车必须选用更高比能量的动力电池；自放电率高，常温下放置30 天，损失额定容量30%～35%；比能量较小。

　　优点：安全性高，耐过充过放性能优秀。
　　适用范围：混合动力车、电动工具等对电池容量要求不高的工具。

　　截至09 年1 月底，混合动力车在全球累计销量已超过170 万辆，其中丰田100 万辆，本田30 万辆。2000 年丰田普Prius 混合动力车首次登陆北美市场。丰田用了7 年使镍氢混合动力车销量突破50 万辆，而从50 万到100 万辆只用了约2 年时间，混合动力车逐渐为为市场所接受。

4.3 大容量锂离子电池

　　动力电池最关注的是大功率放电、长寿命、低的自放电。

　　锂离子电池具有重量轻、储能容量大、功率大、无污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围广等优点，已开始逐渐取代酸铅和镍氢电池，成为目前世界上大多数汽车企业的首选目标和主攻方向，全球已有20 余家主流企业进行车载锂离子动力电池研发，如富士重工、三洋电机、NEC、东芝、美国江森自控公司等。

　　缺点：耐过充过放能力差，有安全隐患。

　　优点：高能量密度，可达150WH/kg：体积小，重量轻，单位重量的能量密度是镍氢的2 倍；寿命可达10 年。

　　锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解质溶液和隔膜构成，辅助材料还有作为基底材料的超薄铜箔和铝箔。

4.3.1 锂电池的安全问题

　　对于公众来说，锂离子电池“容易爆炸”的观念已经先入为主，这也是目前锂离子动力电池实用较少的缘故之一。所谓的锂离子电池安全问题特指采用了以钴酸锂为正极材料的锂离子电池，原因主要是以铅酸电池的充电方式为锂离子电池充电，造成部分电池单体过充、过热，引起高温和过流，最后导致燃烧爆炸，并非电池本身存在安全问题。依靠稳定可靠的过充保护电路，可避免这种安全问题。

　　因钴酸锂的氧化性很强，175℃分解后产生强氧化物质，分解有机电解质。一旦电池壳体泄漏，析出的金属锂接触空气剧烈燃烧，同时引起易燃的电解质燃烧、爆炸。新开发的锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等新型正极材料稳定性大为提高，已经能解决安全难题。
图 12：锂离子电池过充引发爆炸的原因

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4.3.2 影响锂离子动力电池实用的主要因素

　　　—-- 性能、成本和电池组寿命。

　　锂离子电池主要构成有：正极材料、隔膜、电解液和负极材料。其中对电池性能影响最大的是正极材料，技术难度也最大，也是一直以来研究的热点。
　　目前锂离子电池应用于汽车难点：一致性、电池寿命、电池低温性能；过热过载，电池成本（材料筛选开发，低成本制造）。

　　一致性的影响：主要影响因素有有电池材料、制造过程的控制，电池化成设备的影响，三个因素各占三分之一。锂电池组品质的好坏，80%在于生产过程的控制。

　　锂离子动力电池的发展目前严重受制于滞后的电池成组应用技术。前一阶段动力锂电池的研究重点是关键材料研究，现在慢慢转向电池成组应用技术，如电池组充放电、维护管理等应用技术型研究，电池组应用技术的已落后于材料技术发展速度。

　　公用超快充电站是纯电动汽车商业化的基础设施，充电网络较快建设是否到位，会对电动汽车快速发展起到巨大的推动作用，，反之则是电动汽车商业化应用的主要短板。

　　正极材料的性能对电池性能影响最大。

　　最先得到大规模应用的是钴酸锂，主要用于手机等便携式电子产品。但钴酸锂电池充放电存在安全隐患，不适合大型电池。因此开发出很多安全性优良的锂电池正极材料，替代钴酸锂，应用于大型动力电池。

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　　相比较而言，钴酸锂最大的问题是安全性差（175℃即分解，引发安全问题）、成本高（目前钴价约32 万元/吨，含钴60%的钴酸锂超过26 万元/吨）、循环寿命短；锰酸锂安全性比钴酸锂好很多，但高温环境的循环寿命差（500次）。磷酸铁锂因为高放电功率、成本相对低、可快速充电且循环寿命长（2000次以上），在高温高热环境下的稳定性高（300 度高温以上才有安全隐患），具有很好的安全边际，是目前最理想的动力电池正极材料。

　　三元材料融合了钴酸锂和锰酸锂的优点，在小型低功率电池和大功率动力电池上都有应用。钴是一种贵金属，价格波动大，对钴酸锂的价格影响较大。钴酸处于价格高位时，三元材料减少了钴用量，具有较强的市场竞争力，成本较低。但钴处于低位时，三元材料优势大大减小。今后三元材料的市场表现取决于钴酸锂和磷酸铁锂的发展，与前者比较价格，即当钴酸锂价格高于30 万/吨时，三元材料才有市场竞争力；与后者比技术，即一旦磷酸铁锂技术得到突破，并实现大规模量产，那么三元材料就会被市场挤兑。锰酸锂最便宜，充放电过程中结构会逐渐改变，导致容量衰减，寿命降低。锰酸锂鉴于技术和价格的优势，在两年内可以维系市场竞争优势，但迟早将被磷酸铁锂取代，只能作为一种过渡电池材料。

4.3.3 锂电池材料中明星材料 —— 磷酸锂铁

　　相对来说磷酸铁锂优势最明显，而且技术提升空间更大，全球主要汽车厂商和电芯厂商大多数认为，磷酸铁锂是动力电池正极材料的首选，而且从现有的投资方向看，也基本定位于磷酸铁锂。多家国际汽车企业与电池企业陆续联合进行大规模锂电池投资竞赛，包括丰田与松下、日产与NEC、大众与三洋、博世与三星。国内磷酸铁锂今后随着产能加大和生产技术的提升，成品率提高到80%，成本即可降低一半，价格下降空间非常大。

　　从磷酸铁锂的材料结构而言, 其比容量虽然比钴酸锂电池比容量少了25%,但安全性得到极大的提升；比容量比镍氢电池提升了70%, 安全的特性加上容量的提升, 使得汽车生产商从磷酸铁锂的身上看到了安全与续航力的平衡点，因此成为兵家必争之地。磷酸铁锂材料在锂电池被重视的根本原因其安全的橄榄石结构，当过充过放的过程中，可以吸纳更多的锂离子，不会发生因锂离子析出而引起的“爆炸”可能。

　　由于磷酸铁锂有着巨大的商业价值，也引起各厂商展开对专利权的控制与反控制。

4.3.4 磷酸锂铁的专利之争

　　日本的NTT（1996 年）和美国德州大学John.B.Goodenough 教授（1997 年）先后发表磷酸铁锂的橄榄石结构，并在美、日、德、英、法、意、加申请了专利。但由于NTT 的工程师冈田重人涉嫌窃取德州大学的营业秘密，NTT 不得不将其拥有的磷酸锂铁电池材料专利专属授权给德州大学，并为此支付3000 万美元，虽然NTT 的磷酸铁锂材料与德州大学的材料并不相同，甚至能量密度还要高于德州大学专利材料。比亚迪公司的磷酸铁锂材料组合与NTT 磷酸铁锂材料完全相同。

　　该专利目前被授权给加拿大自来水公司Hydro-Quebec 及其下属公司Phostech 使用。2006 年4 月经过相关的诉讼，美国德州大学不得不缩窄“5910382 专利”的索赔范围；2008 年4 月15 日，A123, Aleees, Valence 等拥有不同晶体结构的LFP 三家公司趁胜追击，导致美国专利商标局（Patent and Trademark Office）发出了修订”6514640 专利“的索赔要求的复审证书。目前复查工作仍在进行中。

　　2008 年12 月9 日欧洲专利局（EPO）撤销了授予德州大学和Goodenough教授等人的有关磷酸铁锂的欧洲专利。

4.3.5 磷酸铁锂专利之争对动力电池产业的影响

　　目前欧盟专利局已撤销磷酸铁锂在欧盟境内的专利，意味着欧盟境内磷酸铁锂材料不存在任何侵权风险。该专利尚未在中国申请相关专利，因此国内销售短期内也不存在专利官司。但如果需要出口至欧盟以外的地区时，可能存在被诉侵权的风险。

5. 不看好铅酸电池和镍氢电池路线

　　铅酸电池由于材料性能的极大局限，注定了铅酸动力电池寿命短。迟早被替代的命运，之所以现在还占据一定市场，主要是由于其价格便宜，而其他电池依然较贵。

　　镍氢电池技术在日本已经非常成熟，目前广泛应用于混合动力汽车和电动工具，在动力电池领域，丰田和本田已牢牢把握住了市场垄断地位，其成熟的技术和低成本制造优势，其他竞争对手短期内还无法超越这些日本企业。因此美国通用汽车等公司也已放弃镍氢电池，直接开发锂离子动力电池。丰田和本田也加紧了新型锂离子动力电池的研发。

　　国内生产商在既无市场优势，也无成组应用技术优势的基础上发展镍氢动力电池，如不能在2～3 年内抢占市场，按照现在锂电池的发展速度，一旦锂电池迅速商用，镍氢动力电池的盈利能力将大打折扣。

　　况且，即使国内厂商花大力气研发和量产镍氢动力电池比较顺利，从示范运行到量产，到占领市场，至少要花2～3 年，此时日美等生产商早已开始享受锂电池的带来的利润了，与其发展落伍的技术，将来受制于人，还不如直接发展锂电池，与海外巨头站在同一起跑线上，开发新型锂离子动力电池。

6. 看好锂离子动力电池
　　锂离子电池能量密度较高，有良好的循环性能，可以同时满足汽车动力电池对于高容量、长寿命的要求，是目前最被看好的动力电池路线。

6.1 锂离子动力电池市场容量

　　中短期机会来自电池替换（铅酸电池和镍氢电池），如电动自行车和电动工具市场。锂电产业链下游应用环节，包括低端的手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具、矿灯市场，中端的风电和太阳能储能市场，以及高端的电动交通工具市场，也可用于军事航天领域，如坦克、潜艇、火箭等。

　　电动工具市场目前锂电池替代镍氢和镍镉电池的速度非常快，其中最具代表性的厂商是美国B&K 公司、德国B0SCH、日本牧田、香港创科（TTI）、日本日立和松下，这些厂商推出的磷酸铁锂电池驱动的电动工具，市场热销。

　　国内电动自行车市场是目前较为被看好的锂电应用市场之一，但铅酸电池较大的价格优势有很高度市占率，锂动力电池占有率还比较低。目前锰酸锂电池也有部分市场。最具代表性的生产商是苏州星恒，目前已形成相当大的产值规模。作为铅酸电池理想的替代品 —— 磷酸铁锂电池在国内应用甚少，因为其价格是铅酸蓄电池的4～5 倍，锰酸锂电池的2 倍，消费者一时难以接受。

　　电动汽车是动力锂电池最大的应用市场，世界各国政府都在积极鼓励发展电动汽车，这对动力锂电池的发展是极大的利好。根据拓璞扑研究所的预测，全球混合动力车2010 年将成长至 210 万辆，2015 年将达600 万辆以上，未来将有2/3 的电动汽车使用锂电池。

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关于动力电池作为电动汽车的“CPU”（二）

动力电池是电动汽车的核心组成部分，相当于汽车的“CPU”。它不仅储存电能，为车辆提供持续动力，还管理着车辆的能量输出，确保行驶平稳并优化能耗。其重要性不言而喻。

从技术角度看，动力电池的技术进步直接推动了电动汽车的发展。其容量、充电速度、安全性及寿命等关键指标不断提升。未来，随着材料科学的进步，动力电池性能将更进一步，为电动汽车带来更出色的表现。

总之，动力电池的技术创新是电动汽车发展的关键驱动力。

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关于动力电池作为电动汽车的“CPU”（二）

动力电池是电动汽车的核心组成部分，相当于汽车的“CPU”。它不仅储存电能，为车辆提供持续动力，还管理能量的分配和调节。

具体来说，其具有以下显著特点：

1. 高能量密度：确保电动汽车拥有较长的续航里程。
2. 智能化管理：通过先进的电池管理系统，优化能量使用，提高电池效率。
3. 安全性能：采用多重防护措施，确保电池在使用中的安全性。

随着技术的进步，动力电池的性能将持续提升，为电动汽车的未来发展提供坚实基础。