美國(guó)電動(dòng)車動(dòng)力電池的研發(fā)近況

賈 明，賴延清，劉業(yè)翔

(中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

能源危機(jī)日益嚴(yán)重，環(huán)境不斷惡化，使人們期待電動(dòng)車早日應(yīng)市［1］。電動(dòng)車包括混合動(dòng)力(HEV)、插電式混合動(dòng)力(PHEV)、純電動(dòng)(EV)、燃料電池和下一代電池電動(dòng)車。它們以電力作為動(dòng)力源、無(wú)(或少)尾氣排放、節(jié)能環(huán)保，受到了世界各國(guó)的高度重視［2］。

電動(dòng)車的高速發(fā)展對(duì)動(dòng)力電池的容量(續(xù)航里程)和充電速度提出了更高要求［3］。美國(guó)正力圖在全球電動(dòng)車市場(chǎng)占據(jù)主動(dòng)權(quán)。本文作者著重介紹美國(guó)動(dòng)力電池的研發(fā)情況和政府相關(guān)政策。

1 美國(guó)發(fā)展電動(dòng)車的背景

近幾年，美國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了加速期。美國(guó)“電動(dòng)汽車熱”的出現(xiàn)，并非一時(shí)之興，而是有著深層次的政治、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)背景。

1.1 國(guó)家安全需求

美國(guó)目前95%以上的汽車都是通過(guò)石油提供動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化，就可通過(guò)本土的燃煤發(fā)電、天然氣發(fā)電、核電及其他新型燃料發(fā)電等方式提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力來(lái)源的本土化和多元化，保障國(guó)家安全。

1.2 節(jié)能減排壓力

美國(guó)人口只占全球總?cè)丝诘?%，但溫室氣體排放卻占全球總排放量的20%以上。如果美國(guó)汽車的75%左右實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，可減少27%的溫室氣體排放和52%的石油進(jìn)口［4］。

1.3 經(jīng)濟(jì)振興的需要

金融危機(jī)對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)造成了沉重打擊，汽車產(chǎn)業(yè)是美國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)。發(fā)展電動(dòng)汽車既可以重新振興美國(guó)汽車工業(yè)、擴(kuò)大就業(yè)，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)電網(wǎng)系統(tǒng)、電池技術(shù)、電機(jī)和電控系統(tǒng)、智能軟件設(shè)計(jì)的全面發(fā)展，進(jìn)而構(gòu)筑支撐美國(guó)未來(lái)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)鏈。

1.4 新能源發(fā)展和市場(chǎng)增長(zhǎng)迅猛

2012年，全球動(dòng)力電池市場(chǎng)規(guī)模為160億美元，到2020年，預(yù)計(jì)達(dá)到220億美元［5］。奧巴馬政府想在2015年前達(dá)到100萬(wàn)輛電動(dòng)車(包括混合動(dòng)力電動(dòng)車)上路，潛力很大。

2 24億美元政府資助及分配

2009年8月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布，按《美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案》，將給予48個(gè)新的先進(jìn)電池和電力驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目24億美元的資助，大致的分配情況見(jiàn)表1。美國(guó)政府給予先進(jìn)電池項(xiàng)目大力資助，力爭(zhēng)創(chuàng)建新一代先進(jìn)汽車的領(lǐng)導(dǎo)地位［6］。

表1 政府24億美元資助分配Table 1 Distribution of government$24 billion in funding

最大的單筆補(bǔ)貼授予江森自控有限公司，該公司獲得了近3億美元，用于生產(chǎn)混合及電力車型電池部件，目前正在福特公司的支持下，于密歇根州建立電池廠。A123系統(tǒng)公司為克萊斯勒的電動(dòng)車型和混合動(dòng)力車型供應(yīng)電池。以上兩個(gè)公司獲得總額約5.5億美元，以建立國(guó)家先進(jìn)電池生產(chǎn)基地。EnerDel公司獲得的1.185億美元，用于印第安納波利斯工廠生產(chǎn)鋰離子電池;福特汽車公司獲得的9 270萬(wàn)美元中，有6 270萬(wàn)美元用于密歇根州的電動(dòng)汽車零部件工廠;克萊斯勒獲得的7 000萬(wàn)美元，用于開(kāi)發(fā)和裝配高級(jí)混合電動(dòng)皮卡和小型貨車。

副總統(tǒng)拜登在底特律宣布了10億美元的資助項(xiàng)目，給予總部在密歇根的清潔能源制造公司和密歇根大學(xué);另外給予康派克功率和陶氏柯卡姆兩個(gè)公司，總額超過(guò)3億美元，用于制造電池及電池材料。密歇根的大汽車制造商，包括通用、克萊斯勒和福特，也獲得4億多美元的支持，以制造電池和電動(dòng)傳動(dòng)部件。密西根大學(xué)、韋恩州立大學(xué)和密西根理工大學(xué)，獲得資助1 000多萬(wàn)美元，作為科研人員、技術(shù)人員和服務(wù)商的培訓(xùn)費(fèi)用，并進(jìn)行消費(fèi)者研究，以加快他們過(guò)渡到先進(jìn)的汽車和電池行業(yè)中來(lái)。

交通部則資助東賓夕法尼亞制造有限公司3 250萬(wàn)美元，以增加閥控鉛酸電池和超級(jí)電池的生產(chǎn)能力，用于微型和中等混合動(dòng)力汽車。

3 美國(guó)能源部及主要的研制單位

受美國(guó)政府資助，承擔(dān)動(dòng)力電池研發(fā)任務(wù)的主要是美國(guó)能源部和其下屬機(jī)構(gòu)及一些民間的研制單位。

3.1 能源部下屬機(jī)構(gòu)

發(fā)展電動(dòng)車和動(dòng)力電池主要由美國(guó)能源部主持，能源部下屬的“能源效率和可再生能源局”和“國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)”承擔(dān)主要的研發(fā)計(jì)劃與任務(wù)［7］。能源部所屬的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，以阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的任務(wù)最多，也最突出［8］。車輛技術(shù)局的下屬機(jī)構(gòu)——“先進(jìn)運(yùn)輸技術(shù)的電池計(jì)劃(BATT)”，主要任務(wù)是解決車輛用動(dòng)力電池的制備、一致性、價(jià)格、壽命和安全問(wèn)題。

3.2 與能源部合作的民間組織

與能源部下屬有關(guān)的單位合作的還有一些民間組織，如美國(guó)汽車研究理事會(huì)(USCAR)、美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)，該聯(lián)盟下還有一個(gè)專門(mén)從事研發(fā)的機(jī)構(gòu)——電化學(xué)儲(chǔ)能研究團(tuán)隊(duì)。這些組織主要解決市場(chǎng)需求、性能和售價(jià)等方面的戰(zhàn)略性工作，由各機(jī)構(gòu)的代表所組成。

4 美國(guó)在銷電動(dòng)車及動(dòng)力電池

根據(jù)福特汽車公司的估計(jì):2015年全球電動(dòng)車中全部生產(chǎn)HEV的公司有:本田、現(xiàn)代和豐田;80%生產(chǎn)HEV的公司有:BMW、福特和大眾。2015年產(chǎn)量為60%的產(chǎn)品為PHEV的汽車公司有:雷諾和日產(chǎn)的合資公司。

對(duì)純電動(dòng)車而言，電池的開(kāi)發(fā)還有很長(zhǎng)的路要走，目前這一代純電動(dòng)車電池，能量達(dá)到23 kWh，質(zhì)量是226.80 kg，體積125 L;幾年以后，會(huì)出現(xiàn)第二代的動(dòng)力電池，質(zhì)量181.44 kg，體積100 L，充電一次行駛100 km;第三代，再過(guò)兩三年，電池質(zhì)量降到113.40 kg，體積75 L。可能要兩到三代的電池技術(shù)，才能真正達(dá)到全面推廣應(yīng)用的程度。表2為目前在美國(guó)銷售的一些純電動(dòng)車所用電池。

表2 在美國(guó)銷售的一些純電動(dòng)車所用電池Table 2 Batteries for some pure electric vehicles sold in America

5 動(dòng)力電池研發(fā)和生產(chǎn)概況

5.1 A123系統(tǒng)和LG化學(xué)

美國(guó)電動(dòng)車所用電池，很多是A123系統(tǒng)公司供應(yīng)的［9］。該公司的電池核心技術(shù)來(lái)自麻省理工學(xué)院，主要使用磷酸鐵鋰正極材料，現(xiàn)在的產(chǎn)品主要用在交通和電網(wǎng)儲(chǔ)能方面。

韓國(guó)的LG化學(xué)近5年向電池行業(yè)投資了10億美元［10］，制造各種類型的鋰離子電池，最大產(chǎn)品類型是小型圓柱形或方形電池，用于手機(jī)和筆記本電腦。

5.2 Tesla Model公司

Tesla S型EV由Tesla Model公司2013年生產(chǎn)，被美國(guó)國(guó)家環(huán)保局評(píng)定為目前市面上續(xù)航距離最遠(yuǎn)的EV(單次充電可行駛426 km)。該車所用的鋰離子電池有60 kWh和85 kWh兩種，其中85 kWh的電池包由8 142只單體電池構(gòu)成，采用Panasonic NCR18650A、容量為3 100 mAh的電池，采用的正極材料是LiNiCoAlO2+9%Co，該材料特別適用于電動(dòng)車;60 kWh的電池與85 kWh的電池結(jié)構(gòu)大體相同，但單體電池為7 000只。

5.3 比亞迪公司

“BYD秦”是比亞迪公司設(shè)計(jì)的具有更高效的雙模電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的EV，使用13 kWh的磷酸鐵鋰電池。秦的電池效率比F3DM提高7%，屬于節(jié)能型EV模式。

5.4 通用汽車公司

通用的EV1電動(dòng)車最早開(kāi)發(fā)于1996年，第一代車型所用電池為松下公司生產(chǎn)的傳統(tǒng)鉛酸電池。動(dòng)力電池包的總能量為18.7 kWh，電壓為312 V，共由26個(gè)小模塊組成，每個(gè)模塊的質(zhì)量為18.8 kg，動(dòng)力電池包的總質(zhì)量為1 175 kg，充電時(shí)間為5 h 18 min。

5.5 其他

其他一些生產(chǎn)電動(dòng)汽車的生產(chǎn)商包括豐田、日產(chǎn)和通用雪佛蘭等。豐田RAV4 EV是豐田的第二代RAV4型的電動(dòng)車，電池包由450只鋰離子電池構(gòu)成，129 kW、386 V［10］。通用公司的Volt，即雪佛蘭Volt，電池組有161個(gè)組件、9個(gè)模塊和288只單體電池。

6 正在開(kāi)發(fā)的新型電池和電池材料

根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的資料，美國(guó)和在美國(guó)的外資企業(yè)正在大力研發(fā)新型的動(dòng)力電池及材料。

6.1 碳納米管正極材料

將多層碳納米管用作正極材料，可使儲(chǔ)存的能量比現(xiàn)在的產(chǎn)品多十倍。這種材料還可促進(jìn)固態(tài)電容器的開(kāi)發(fā)，把電池和電容器組合起來(lái)，以儲(chǔ)存更多的能量［11］。

6.2 銅納米線負(fù)極材料

能源部資助主持研發(fā)的一種電池采用具有微孔的細(xì)銅線替代多孔的導(dǎo)電石墨電極，稱為3D單元(大小為人頭發(fā)絲直徑的數(shù)千分之一)，在表面可儲(chǔ)存較平板金屬表面更多的離子，不僅儲(chǔ)存離子的能力高于現(xiàn)有的石墨材料，而且傳熱性能優(yōu)異。

6.3 鋰空氣電池

采用鋰空氣電池的目的是增加電池的功率，使電動(dòng)車一次充電能行駛800 km。實(shí)用的鋰空氣電池有關(guān)技術(shù)，IBM公司未予透露［12］。業(yè)界認(rèn)為，這種鋰空氣電池電動(dòng)車可能在2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

6.4 鋰硅電池

采用硅替代碳作負(fù)極，可以儲(chǔ)存更多的電能［13］。這種電極具有柔性，能克服硅材料充放電過(guò)程中的膨脹問(wèn)題，有利于提高充電速度。

6.5 泡沫碳電容器混合動(dòng)力電池

這種電池是由儲(chǔ)存電能的化學(xué)電池和高效固態(tài)電容器相結(jié)合而成。采用泡沫碳作為電極，以增加儲(chǔ)存的能量，仍使用碳負(fù)極。這種耦合的電池/電容器，不僅比常規(guī)的鋰離子電池質(zhì)量輕，而且能比傳統(tǒng)電容器提供更多的電荷，同時(shí)，能夠充電數(shù)千次而沒(méi)有明顯的性能衰退。

6.6 鋰硅聚合物電池

美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)一種名為鋰硅聚合物的電池。這種電池使用了特別結(jié)構(gòu)的聚合物電極，而非硅電極，特點(diǎn)是可以防止硅在充放電時(shí)的膨脹與收縮，避免電池結(jié)構(gòu)的破損，儲(chǔ)能性優(yōu)于普通鋰離子電池。

6.7 鋰硫電池碳納米纖維負(fù)極

這種電池的特點(diǎn)是以硅作為負(fù)極能夠儲(chǔ)存更多的Li+，可以提高能量密度，但問(wèn)題是當(dāng)它吸附Li+的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹，破壞負(fù)極的導(dǎo)電通道，用碳納米纖維來(lái)替代硅，可以減輕這種影響。

6.8 鋰錳復(fù)合材料-硅碳納米復(fù)合材料

鋰錳復(fù)合材料-硅碳納米復(fù)合材料的研究獲得了多家美國(guó)汽車公司、聯(lián)邦政府和加州能源局的資助，預(yù)期達(dá)到商業(yè)應(yīng)用后，使用這種材料的電池充電一次可以行駛300 km。

6.9 有機(jī)化合物正極材料

松下公司正致力于采用有機(jī)化合物正極材料的有機(jī)充電電池的開(kāi)發(fā)。有機(jī)充電電池不含重金屬，受資源限制少，能制造出質(zhì)量很輕而且柔軟的產(chǎn)品［14］。這類有機(jī)電池的最大特點(diǎn)是:無(wú)論采用哪種材料類型，通過(guò)構(gòu)造材料聚合，都能防止溶解，并大幅提高充放電特性。

表3列出了松下開(kāi)發(fā)的有機(jī)聚合物的相關(guān)特性。

表3 松下開(kāi)發(fā)的有機(jī)聚合物的特性Table 1 Characteristics of organic polymer developed by Panasonic

6.10 鉛酸電池新發(fā)展

推動(dòng)12 V鉛酸電池新發(fā)展——具有吸收玻璃墊的電池(AGM)。12V鉛酸電池在電動(dòng)車當(dāng)中仍然十分重要［15］，因?yàn)檫€有許多重要的供電需要用到這種電池。現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)新的硅膠和玻璃墊，以及板柵所用鉛-鈣合金，以提高鉛酸電池的性能［16］。

7 總結(jié)

本文作者介紹了美國(guó)發(fā)展動(dòng)力電池的背景，在此背景下美國(guó)政府在動(dòng)力電池研發(fā)方面的政策和投入，重點(diǎn)討論了美國(guó)動(dòng)力電池的研究機(jī)構(gòu)、在研企業(yè)和相關(guān)的電池研發(fā)情況。希望本綜述能夠給做動(dòng)力電池研發(fā)的同行提供一些參考。

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