2013年5月，美國電動汽車生產(chǎn)企業(yè)特斯拉發(fā)布一季度財(cái)報(bào)稱，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”：電動汽車產(chǎn)業(yè)被打了一劑強(qiáng)心針，美好愿景似乎不再遙遠(yuǎn)；動力鋰電應(yīng)用取得突破，廣闊市場就在眼前。受此影響，我國鋰離子電池以及電動汽車相關(guān)的上市公司股價(jià)節(jié)節(jié)攀升。但就整體低迷的電動汽車產(chǎn)業(yè)來說，特斯拉只是近年來少有的亮麗風(fēng)景，這也造成動力鋰電市場需求低迷。而與之形成鮮明對比的是，動力鋰電的投資熱情高漲。從2010年到2012年，我國就有超過90家企業(yè)進(jìn)軍動力鋰電領(lǐng)域，擬投資額超過500億元。在產(chǎn)能劇增和需求不旺的矛盾下，動力鋰電的發(fā)展“動力不足”顯得尤為突出。
自1991年商業(yè)化以來，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。而作為汽車的動力來源，動力鋰電從提出到實(shí)踐、再到產(chǎn)業(yè)化已超過20年時(shí)間，到目前為何還是“動力不足”？其根源在哪里？
動力鋰電是制約電動汽車發(fā)展的核心因素
盡管世界各國都在大力推動電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對購買電動汽車給予大量補(bǔ)貼。然而消費(fèi)市場對此反應(yīng)冷淡，到目前為止，還沒有一個(gè)國家的電動汽車保有量能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。以美國為例，2012年電動汽車銷售量約5.3萬輛，同比2011年的1.75萬輛增至迅猛，2013男電動汽車保有量將突破10萬輛，但距離2015年100萬輛的目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)。而與2012年美國汽車市場高達(dá)1449萬輛的總銷售量相比，電動汽車的占比不到0.5%。消費(fèi)市場的疲軟直接導(dǎo)致了電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。而影響電動汽車銷售的三大重要因素全部都與作為動力來源的動力鋰電相關(guān)。
【一】續(xù)航里程短限制了電動汽車的推廣范圍
隨著技術(shù)的不斷成熟，動力鋰電的性能不斷提升。以動力鋰電作為動力源的電動汽車?yán)m(xù)航里程已由當(dāng)初的不到100公里增長至當(dāng)前主流的300公里左右，個(gè)別車型的續(xù)航里程突破了400公里。但與當(dāng)前燃油汽車的主流行駛里程500公里相比還有一定差距。另一方面，對于目前續(xù)航里程300公里的主流電動汽車，動力鋰電的重量占車重的一半左右，這也在一定程度上影響了電動汽車的續(xù)航里程。
【二】充電速度慢制約了電動汽車的便捷使用
行駛里程短可以通過大范圍、密集的充電設(shè)施予以解決，但動力鋰電充電較慢成為電動汽車更大的制約。正常速度下，電動汽車的動力鋰電完全充滿需要4到8個(gè)小時(shí)。如果加快速度的話，可以在1到2小時(shí)內(nèi)充滿，但會影響到動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，動力鋰電的壽命會驟減至原來的三分之一，且電池性能會顯著下滑，安全事故發(fā)生概率大大增加。燃油汽車則不存在這樣的問題，加油時(shí)間不超過5分鐘，安全性和穩(wěn)定性都能夠保證。因此更換動力鋰電也成為當(dāng)前電動汽車發(fā)展的一種思路，但關(guān)鍵在于如何保證各個(gè)廠家動力鋰電的型號一致、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)者的購買熱情
從誕生以來，安全問題就一直困擾著鋰離子電池。從手機(jī)、筆記本，到如今的電動汽車，安全事故不斷發(fā)生。除了日產(chǎn)和特斯拉的電動汽車還未有起火報(bào)道，中國的眾泰和比亞迪、美國的通用和菲斯克的電動汽車均有自燃或起火事件發(fā)生，這些都與動力鋰電相關(guān)。安全事故頻頻發(fā)生，極大影響了消費(fèi)者對電動汽車的購買熱情，也成為影響以鋰電為動力的電動汽車市場發(fā)展最大的阻礙。在動力鋰電的安全問題沒有得到解決的前提下，電動汽車想要大規(guī)模普及無疑是天方夜譚。
除以上三點(diǎn)之外，動力鋰電價(jià)格過高也是制約電動汽車市場發(fā)展的因素之一。與同類型、同檔次的燃油動力汽車相比，電動汽車的價(jià)格一般是燃油汽車的2倍以上。
動力鋰電“動力不足”的根源所在
為了應(yīng)對能源危機(jī)、推動電動汽車發(fā)展，世界各國紛紛投入大量資金用于動力鋰電的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2009年以來美國能源部投入超過20億美元支持以鋰離子電池為主的先進(jìn)動力電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化；日本在2011年之前就投入超過400億日元用于先進(jìn)電池技術(shù)研究；我國的“863”計(jì)劃也有電動汽車重大專項(xiàng)，投入資金超過10億元。但各國動力鋰電的研究進(jìn)展都較為緩慢，許多問題尚待解決。
目前為止，動力鋰電“動力不足”主要體現(xiàn)在以下三方面：
【一】 正極材料成為動力鋰電的發(fā)展瓶頸
根據(jù)美國先進(jìn)蓄電池協(xié)會(USABC)在2005年公布的電動汽車動力電池性能指標(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1000次，價(jià)格低于100美元/KWh。而當(dāng)前動力鋰電的比功率已經(jīng)超過了400W/kg，循環(huán)壽命也基本超過1000次，但比能量在180Wh/kg以下，價(jià)格還在300美元KWh以上。影響動力電池關(guān)鍵指標(biāo)無法達(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)間不能過快，過快的話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，不能滿足動力需求，往往將多個(gè)單體鋰離子電池通過串并聯(lián)方式成組，這就涉及到電池管理技術(shù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，對于只有幾個(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。然而對于電動汽車用動力鋰電，通常單體電池?cái)?shù)量超過1000個(gè)，如特斯拉汽車的鋰離子動力電池采用的單體電池?cái)?shù)量超過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)，也給動力電池組安全乃至汽車安全埋下隱患。自2010年以來電動汽車因動力鋰電造成的起火事件時(shí)有發(fā)生，僅美國菲斯科汽車公司就因動力鋰電缺陷召回了超過2500輛電動汽車。
【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高的話，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)過程中，盡管自動化程度較高，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)在一定程度上會造成單體鋰離子電池出現(xiàn)不一致，給電池管理帶來不確定性，成為動力鋰電的安全埋患。
當(dāng)然，限制動力鋰電快速發(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。這即表示動力鋰電仍將是多個(gè)單體電池成組。因此，未來一段時(shí)間內(nèi)動力鋰電的發(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，這樣電動汽車才有望得到大規(guī)模推廣，從而帶動動力鋰電市場蓬勃發(fā)展。
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