1、电池技术决定电动车行业的未来决定电动汽车（BEV）产业发展的关键 在于降低电池成本。 未来技术的突破， 例如锂硫电池或锂空气电池的应用， 将起到决定作用。 当前，我们必须改进现有的电池组生产方式，针对特定的市场， 提供有竞争力的产品和设计。 “电动汽车”这个词所指的车辆有混合动力汽车、纯电池动力汽车（BEV） ，还有使用燃料电池的电动汽车。这三种汽车的分类依据大不相同，特别在区分目标市场和满足技术要求方面差别巨大。尽管电池动力汽车为经济和社会带来深远影响，但它目前面临的技术挑战十分艰巨：电池技术还需要大幅改进才能让电池动力汽车能够与内燃机引擎（ICE）汽车相匹敌，甚至超越后者。本文重点介绍和讨
2、论 BEV 电池技术，并对其面临的关键挑战提出解决方案和思路，进而提出改进 BEV 电池技术的观点。 当前 BEV 电池技术的发展阶段 多数 BEV 都使用锂离子（Li-ion）电池技术。现在使用的五种主要的锂离子电池技术从组成成分可区别为：二氧化锰锂（LMO） 、磷酸锂铁（LFP） 、锂镍钴锰氧化物（NMC） 、锂镍钴铝（NCA）和钛酸锂（LTO） 。可是，如果考虑所有的需求（安全性、比容量、成本、使用寿命和性能） ，五种技术中的任何一种都无法在下列五大指标中全部达到令人满意的程度。 首先，对于 BEV 电池来说，安全性是最重要的一个判断标准。安全方面的主要考虑是要避免热失控。从 2013
3、年 10 月发生的特斯拉（Tesla）起火事件可以看出，电动汽车电池着火会很快改变公众对 BEV的态度，也会严重影响 BEV 制造商的财务状况。严格地讲，考虑到其化学成分，当前所有的锂电池本质都是不安全的。由于牺牲了比容量，一些特定的锂电池技术会相对安全。比容量是决定行驶里程的关键因素。为了避免热失控，不同的 BEV 制造商对电池技术和电池组的设计有自己的偏好。然而它们都需要坚固的保护包装、高效的冷却系统，也需要电池管理系统来准确地监控和平衡电池的状态。所有这些附加的组件大幅增加了电池组的重量，进而削弱了比容量。 第二，只有在评价电极本身的内在属性时，材料层面的比容量（只计算电极材料本身的质量
4、）才有意义。电池组装完成后，由于加上了集流体、电解质、隔膜和电池单元外壳等组件，电池单元层面的比容量就会显著降低。截至目前，电池单元层面的比容量是由松下公司（Panasonic Corporation）实现的，最高为 236 Whkg-1，特斯拉使用了这种技术。把数百（乃至数千）个单独的电池单元组合起来，构成 BEV的电池组后，比容量就会进一步下降。例如，特斯拉使用的电池组，包装后的比容量约为 120 Wh kg-1；而美国还有另外两个主要的 BEV 品牌，日产 LEAF 和雪佛兰沃蓝达（Chevy Volt） ，它们电池组层面的比容量分别为 90-110 Wh kg-1，以及 80-90 W
5、h kg-1。电池组层面的比容量有限，这是延长单次充电行驶里程的重大瓶颈。 第三，成本是另一个决定 BEV 未来的因素。目前，电池用化学品生产商和大多数 BEV 制造商之间有两层中介，一是电池单元制造商，二是电池组制造商。由于两个层级的存在，电池的最终价值中又增加了额外的成本，之后这些成本又会转嫁给消费者。波士顿咨询公司（Boston Consulting Group）的分析显示，当前 BEV 制造商需要承担的电池组成本约为每千瓦时 900 美元至 1220 美元，零售价格还要再高出 40%。需要指出的是，制造电池并不是劳动密集型产业，因此劳动力成本在各地区之间的差异并不显著。例如，在美国制造
6、电池组的成本只比中国的成本高 14%。 第四，表 1 中显示的最后两个指标，使用寿命和性能的技术挑战没那么大。目前多数锂电池技术的周期稳定性和总体寿命都很不错。此外，BEV 制造商可以利用容量比所需电量更大的电池组，补偿电池的自然老化，也可以使用容量较小的电池组，并在几年后通过保修服务进行更换。BEV电池的性能需要在许多不同的气候条件下进行衡量，因此评价标准与 BEV针对的特定地区紧密相关。要改进电动汽车在不同气候下的运动性能，就需要增添加热和隔热等附加组件。而这又会降低电池的比容量，进而影响汽车的行驶里程。 改进 BEV 电池技术 改进 BEV 的电池技术可从上述几个重要指标入手。 首先，只
7、要继续使用可燃的液态电解质，锂电池内在的安全性就难以根本改进。站在科学的角度，改善安全性的唯一方案就是研发固态电解质。研究人员正在对两种固态电极开展紧密的研究：高分子电解质和陶瓷电解质。一方面，高分子电解质机械弹性更强，化学上也更稳定。然而锂离子在高分子电解质中的导电性，比正常电池运行所需导电性至少要低两个数量级。另一方面，某些陶瓷电解质虽然具有充足的导电性，但在锂电池很宽的电压范围内却并不稳定。所有这些缺陷都来源于其内在的化学属性。化学学科需要有根本性的突破，才能使固态电解质成为现实。由于上述两者都不可能在近期取得进展，BEV 制造商仍需要依赖工程设计来改进现有技术的安全性。 第二，改善电池
8、组层面的比容量是另一个艰巨的挑战。比容量可以通过更高效地封装电池、使用更轻质的材料来提高，但这种改进是有限的。因此我们应当关注于研发新的电池化学成分。从最近的发展来看，常规的电极需要由锂离子容量更高的“普适（drop-in） ”型新电解质材料所取代。 “普适”型电极的另一个优势是它们可以轻松置入到现有的电池装配线上，无需对基础设施进行改造。硅（Si）是最富有前景的负极材料，理论上容量比石墨高十倍。尽管近年来全球付出了极大的努力来研究硅电极，但这种材料仍未完全商业化。对于正极，研究人员正在对若干种高容量材料开展研究，如典型分子式为 xLi2MnO3 .（1-x）LiMO2 或 xLi2MnO3.
9、（1-x）LiM2O4 的放氧材料，以及硅酸盐等双锂材料（Li2MSiO4） 。 第三，容量更高的新型锂离子电池系统可望成为一种新选择。例如锂硫（Li-S）电池和锂空气电池。如果能够解决充放电周期不稳定的问题，锂硫电池就可以商业化。我们的团队最近开发了一种全新的锂硫电池系统，显示出了前所未有的锂离子容量和周期稳定性。从理论上看，锂空气电池在所有可重复充电的电池中具备最高的容量，因此许多研究人员认为锂空气电池是 BEV 电池技术的终极方案。然而锂空气电池技术面临着许许多多的技术挑战。尽管理想的锂空气电池或许永不会成为现实，但我们相信，经过认真的研发努力，通过适当调整或改进的锂空气电池系统是可以进
10、行商业化开发的。 第四，必须大幅降低 BEV 电池技术的成本。这可以通过在化学品生产商、电池单元制造商、电池组生产商与电动汽车生产企业之间引入联盟合作的方式来实现。更好的方法是，BEV 生产商建立自有的电池单元、电池组生产部门。比亚迪汽车有限公司就是一个很好的例子，它是从比亚迪股份有限公司拆分出来的企业，后者是全球范围内一家重要的锂电池制造商。特斯拉最近也提出要在美国建设自有的电池制造厂，这将成为世界上最大的电池生产工厂。基于对石油价格波动趋势的预期，我们必须降低 BEV 电池成本，进而增强 BEV 同 ICE 类汽车同场竞技的实力。从长远来看，至少在 20 年的时间里，这都将是一个非常严峻的
11、挑战。 中国 BEV 产业的发展现状 毫无疑问 BEV 技术正在成为经济发展中一个极为重要的环节。尤为重要的是，中国已成为世界上增长最迅速的汽车市场。中国的 BEV 企业，如比亚迪，需要在中国市场以及全球市场上，与国外 BEV 企业开展竞争。然而，中国较为低廉的劳动力成本，在 BEV 领域并不是一个显著的优势。因此，中国 BEV 制造企业必须针对中国市场，制定专门的战略。例如，中国市场上的 BEV 可能并不需要与美国市场一样远的行驶里程。因此，比容量相对较小但安全性能更好的电池可以用于中国市场的 BEV 上。短期来看，降低成本并研发“普适”型的电极，是 BEV 制造商的重要课题；长期来看，BEV 电池技术领域取得的突破将成为未来电动汽车的推动力。 在中国，必须发挥政策的重要作用，促进新型充电池技术的研发。美国目前在这一领域处于主导地位。要想在这个领域提高竞争力，中国必须加强对大学和小型企业的研发投资力度，为 BEV 制造商和消费者提供激励政策。此外，还需要在政府各部门以及产业界合作伙伴之间组建联盟，形成合力。
