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助力电动车取代燃油车 动力电池正朝着这些方向发展

2018-12-10 12:19 来源: 前瞻产业研究院

在新能源汽车推广过程中的两个主要问题:一是与化石燃料相比,电池相对低的能量密度。汽油的能量密度高达12000Wh/kg,现在较先进的动力电池单体能量密度约250Wh/kg,仅有汽油的1/40,这导致的主要后果是普通电动车续航里程远低于燃油车,催生消费者的“里程焦虑”。

二是与内燃机驱动相比,相对高的整车成本。燃油车经过上百年的发展,其发动机的制造工艺成熟,成本控制也较好,而动力电池的产业化时间仍然较短,当前成本很高,截至2017年,美国中档燃油车的动力系统成本约5500美元/套,动力电池成本则高达12000美元/套,尽管电动车的使用成本有优势,但电池造价的巨大差距导致目前电动车的经济性仍然较差。

因此,提升能量密度、价格持续下降是动力电池的主要发展方向。

提升能量密度

提升电池能量密度主要通过优化活性材料和生产工艺,目前比较确定的技术方向包括正极材料高镍化和负极中引入硅材料。

首先,来看正极材料高镍化。提高三元NCM正极材料中镍元素的含量确实可以有效提升电池的容量和工作电压,从而提升电池的能量密度。然而,随着镍含量的提高,正极材料的稳定性随之下降。由于面临问题较多,尽管高镍三元已成为众多电池厂商的攻关方向,但距离大规模推向市场仍需时日。

其次,在石墨负极中引入硅元素也是提高电池容量的有效方法。商业化的锂离子电池主要是以石墨为负极材料,石墨的理论比容量为372mAh/g,而市场上的高端石墨材料已经可以达360-365mAh/g,因此相应锂离子电池能量密度的提升空间已相当有限。硅基负极材料因其较高的理论比容量(高温4200mAh/g,室温3580mAh/g)、低的脱锂电位(<0.5V)、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。但硅负极在脱嵌锂离子时体积变化率太大,并且会导致析锂反应,造成安全隐患,因此目前硅负极材料的应用也未普及。

所以,能量密度低的缺点暂时通过增加电池容量来缓解。以日产聆风汽车动力电池为例,2012年,该系统电池容量仅有24kWh,续航里程228km。随着电池成本的快速下降以及能量密度的提升,汽车携带的电池容量稳步增加,续航里程也随之增加。到2017年10月,日产聆风汽车动力电池容量已达到40kWh,续航里程提升至400km。

助力电动车取代燃油车 动力电池正朝着这些方向发展

不过,提升能量密度的发展方向并未改变。2018年的国补政策中,乘用车电池系统能量密度在120Wh/kg以上才能拿到全额补贴,对于大于140Wh/kg的车型补贴还有倍增的激励。因此,今年整车企业对于电池能量密度的重视达到了前所未有的高度。

助力电动车取代燃油车 动力电池正朝着这些方向发展

值得一提的是,尽管国内动力电池厂商的份额相差悬殊,但各家产品在能量密度上的差异却并不显著,部分二线厂家规划中的产品性能甚至优于行业龙头。这表明提高能量密度在技术上并非难以逾越,更大的困难来自大规模供应品质和一致性好的电池产品。

助力电动车取代燃油车 动力电池正朝着这些方向发展

价格持续下降

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