未来电动汽车的发展重点：锂离子电池大规模产业化

罗如意 杭州市科技信息研究院

未来电动汽车的发展重点：锂离子电池大规模产业化

罗如意 杭州市科技信息研究院

传统能源的枯竭，全球气候异常，发展新能源车已成为各国政府看好的“重头戏”。2020年欧洲能源目标中，新能源在欧洲交通系统中占比达10%。我国对电动汽车的事业发展也非常重视，在“十五”和“十一五”规划中都将其列为重大科技项目。

新能源电动汽车最主要的部件是动力电池、电动机和能量转换控制系统，而动力电池要实现快速充电、安全等高性能，是技术门槛最高、也是利润最集中的部分。目前技术最成熟、应用最广泛、商业化最成功的是镍氢动力电池，燃料电池由于技术难度和完全零排放被视为远期目标。因此，以锂电池为动力的纯电动汽车更是成为国际竞争的热点。电动汽车发展遭遇之瓶颈，即受制于电池，因此要发展就离不开电池这一核心技术，而目前最有希望获得产业化的电池技术就是锂离子电池。杭州拥有正泰太阳能、万向电动汽车开发中心等一大批高新技术企业，更应该大力发展和扶持电动汽车相关产业。

一、锂离子电池发展创新分析

⒈锂离子电池介绍

锂离子电池属于二次电池，即充电电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。锂离子电池按照电解质形态不同可分为液态锂离子电池和聚合物锂电池（见图1）。液态锂离子电池包括正极、负极、隔膜及电解液等四大材料。聚合物锂电池是指正极、负极和电解质中至少有一种是聚合物材质的锂电池。

⒉锂离子电池的优点与机遇

锂离子电池的优点为：能量密度约为镍氢电池的1.5-2.5倍，为铅酸蓄电池的3-5倍，自放电指标显著优于镍氢电池。其优越性基本上可归纳为：工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等（见表1）。

由于目前动力锂离子电池尚未产业化，锂离子电池目前应用仍局限于消费电子，主要集中在笔记本电脑和手机。

新能源汽车对电池要求很高，因此，锂离子电池产业化的创新点即为创造出高比能量、高比功率、快速充电和深度放电的性能，且要求成本尽量低，实用寿命长，同时企业需拥有自主知识产权，才能更好保持电池产业的竞争力和抵御外来企业入侵。

目前混合动力汽车大都使用镍氢电池，但该电池技术的有效性被认为已经到了极限，而锂离子电池因具备小型轻量、高容量、高输出功率等优点而得到了北美、欧洲和亚洲汽车制造商的青睐，预计在该领域锂离子充电电池也将逐步替代镍氢电池。

⒊锂离子电池面临的挑战

第一，专利隐患依赖于国内厂商的自主技术探索来解决。正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，目前常用的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种。作为最适合动力电池的正极材料磷酸铁锂，德州大学于1997年对磷酸铁锂的晶体结构与化学分子式申请了专利，后将专利授予加拿大自来水公司及其下属公司使用。目前磷酸铁锂最上游的化合物制造专利被美国、加拿大和台湾三家专业材料公司所掌握。国内生产磷酸铁锂的企业必须加强自主研发能力，尽早申请国内、国际专利，以消除产业发展隐患。

第二，导电率低，实际电容量低，低温下放电性能差，已有部分解决方案。

铅蓄电池 镍氢电池 锂离子电池 燃料电池液态锂离子电池 聚合物锂离子电池比能量（wh/kg） 35-4075-80110155500比功率（w/kg） 50160-230300315100体积比能量（wh/l） 80100-200200-280＞3201000电压（伏） 21.23.73.70.6-0.8工作温度 -20～60℃ 20～60℃ 0～60℃ 20～60℃ 20～105℃自放电率 4-5% 30-35% ＜5% ＜0.5% 极低循环寿命 800次 1000次以上 1000次以上 1000次以上原材料丰富，廉价，技术成熟优点高倍率放电性好，耐充放电能力强，寿命长，高温安全性好能量密度高，平均输出电压高，输出功率大，自放电小，无记忆效应，可快充，寿命长缺点比能量低，寿命短，耐过充放差，污染环境能量密度高，寿命长，自放电率低，安全性好不易燃烧，不需串连可制成大电池，不需使用传统隔膜材料比能量高，能量转换率高，性能稳定，安全性好，环保自放电率高 成本高，须保护电路防止过充放，热不稳定性，可发生燃爆，安全性低成本高，弱低温性能 成本很高，寿命短，电流小，技术不成熟，比功率小，难充电

第三，成品率低、批次间稳定性差是制约成本下降的关键因素。

第四，充电站网络建设依赖于国家政策的推动，汽车企业不具备独立参与电力投资的资质，在未来由汽车厂、电网公司、中石油、中石化、电池厂及投资公司共同组成的产业联合体，有可能解决充电站或电池交换站这一发展瓶颈。

第五，安全性仍有一定隐患，聚合物锂电池是未来方向之一。锂离子电池使用易燃的有机溶剂作为电解液，在电池遭到破坏后，有机溶剂及其蒸汽容易发生漏液、着火甚至爆炸，它是锂离子电池发生火灾或爆炸事故的主要原因之一。此外，锂离子电池的安全隐患还包括电极材料与电解液之间的热稳定性。聚合物锂电池采用固体电解质，使安全性问题有一定程度解决。

二、锂离子电池技术发展分析

⒈日本锂离子电池技术发展分析

据日本经济产业省（METI）数据显示，日本锂离子电池生产总值呈上升趋势。2008年生产总值约是1995年的10倍（见图2）。；2009年日本电池生产总量为434万单位（件），生产总值高达6341亿日元（约490.59亿人民币）；电池生产总量中，二次电池占34%，锂离子电池占23%；电池生产总值中，二次电池占83%，锂离子电池占比高达43%。即可知，在生产容量为23%的锂离子电池中，生产总值却高达43%，足见锂离子电池作为新兴产业的价值所在。日本主要为电池出口国，进口相对较少。

表2 日本近5年电池出口额比较

由表2可知，日本出口电池中，锂离子电池逐年上升，2008年出口生产总值约比2005年增长50%，出口生产总量增长近五分之二；且2009年锂离子电池出口生产值占日本当年电池出口总值的约70%,在金融危机席卷全球的2009年，日本电池出口量下降，但锂离子电池仍占重要地位；日本一次电池与二次电池近5年来生产总量相当，但生产总值相差较大，二次电池价值约是一次电池的10倍。

⒉锂离子电池专利分析——美国公开数据库

通过美国专利与商标局公开数据库网站检索锂离子电池专利，共得到693件专利。从2001年至2010年历年专利申请量大致呈上升趋势（2010年申请数据不全），2009年更是逆势上扬，相比2008年同比增长约40%。专利申请发明人中，日本最多为264件，其次为韩国183件，美国79件，中国55件。

三、美国和日本电动汽车扶持政策分析

⒈美国电动汽车扶持政策

⑴购车补贴与贷款

《1992年能源政策法案》指出，购买新型电动汽车可一次性得到联邦税收抵免，抵免额相当于整车价格的10%，但不能超过4000美元。《2004年工作家庭税收减免法案》将此条法令延长至2007年。

2006年，银行可为汽—电混合汽车、插入式电动汽车和纯电动汽车提供贷款。

⑵运输电气化示范与部署项目

2009年3月，作为《美国经济复苏和再投资法案》的一部分，美国能源部公开发行20亿美元联邦债券，此资金用于奖励电动汽车电池系统和组件，同时发展充电站示范和部署项目，其中电池拨款将支持先进的锂离子电池和混合动力电子系统，电池拨款将另外3亿美元支持一项替代燃料汽车试点拨款项目，另外3亿美元将支持能效设备。此项目有助于推动奥巴马2015年美国具有100万辆插入式混合电动汽车的目标。

美国清洁能源和安全法案（ACES），2009年5月通过，支持范围扩展至电动汽车。该法案要求所有电力公司设立发展计划，以支持插入式电动汽车，包括重型混合动力电动汽车。该法案还规定了“智能电网一体化”能有效地容纳电力插入式电动车额外电力需求。最后，该法案允许美国能源部提供资金支持的项目，电动汽车和智能电网的技术和基础设施的发展。

⑶国税优惠政策

2008年美国国会众议院通过立法，购买电动汽车税收抵免范围为2500美元～7500美元，变化范围根据电池容量决定。购买雪佛兰和特斯拉电动汽车可得到7500美元税收抵免。此项立法适用于每个厂家销售的前25万辆电动汽车。2009年1月起，此项立法可用于特斯拉纯电动汽车。插入式混合电动汽车和其他电动汽车也将在未来几年得到税收减免。

⑷《可再生能源税收抵免政策》更新

《可再生能源税收抵免政策》于2010年1月到期，《美国复苏与再投资法案》将此政策延长至2013年1月。此外，允许企业选择一种30%的投资赋税抵免来替代生产税收抵免，并可选择津贴来替代税收抵免。

⑸拨款支持电动汽车技术的研究开发

2009年8月，奥巴马总统宣布从7870亿美元经济刺激计划中拨款24亿美元补贴新型电动汽车的研发，其中15亿美元用于生产电池和零部件的制造商，5亿美元用于生产电动汽车的其他组件，比如电动马达等，4亿美元用于屁股插入式混合电动汽车和其他电力基础设施的建设，比如充电站、电动火车和建设电动汽车技术人员的培训等。旨在提升美国汽车制造商在国内电动车行业的地位，并创造新的绿色岗位，减轻就业压力。

⒉日本电动汽车扶持政策

从世界范围电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车的国家之一。日本国土狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，油价很高。同时，日本工业发达，人口密度很大，城市污染严重。因此，日本政府特别重视电动汽车的研究和开发。

⑴购车补贴

1996年，政府（通产省MITI）颁布《日本电动汽车购车补助手册》，对于购买电动汽车，给予纯电动汽车EV、混合动力汽车HEV与普通燃油汽车差价50%以内的补贴，该项政策的具体宣传、落实由日本电动车辆协会负责。自1998年开始，由日本环境厅提供给地方政府和私人企业的另一项电动汽车购买津贴的补贴额，分别达到了车辆成本的50%和25%。

⑵低污染车辆引进补助项目

从1996年起，对特定地区批量购买低公害车的地方公共团体，提供与通常车辆差价1/2补贴。由环境省负责具体实施。对于地方公共团体(地方政府)购买作为大气环境巡逻车的低公害车提供补助。位于重点污染监控计划实施地区的，补助标准车价1/2资金；其他非重点地区，补助标准车价的1/3资金。由“污染被害补偿预防协会”具体操作低公害车购车补贴。对一些地方公共团体购买在法定特殊区域内使用的低公害车，补贴部分经费。

⑶汽车购置税优惠政策

购买新能源汽车（包括电动汽车、混合电动汽车等）可享受购置税减免，其中电动汽车、燃料电池汽车、甲醇汽车、混合货车和公交车可享受购置税2.7%的优惠，混合客车可享受购置税2.2%的优惠，高效率燃料车可享受30万日元的购置税减免。比如私人购买电动汽车可享受2.3%～5%的购置税减免，商业实用的混合客车可享受0.8%～3%的购置税减免。

⑷商业税优惠政策

购买商业使用的新能源汽车，可享受第一年30%的商业税减免；建立天然气与甲醇汽车的供油设施可享受70%的商业税减免（企业资本大于1亿日元），此政策2002年4月到期。

⑸固定资产税和特别土地所有税减免

建立电动汽车、天然气汽车和甲醇汽车供油设施，可减免三分之二新建加油站固定资产税（200万日元以上加油站），可免除特别土地所有税。

⑹推广电动汽车公共快速充电系统标准

2010年3月，在日本经济产业省的领导下，富士重工、三菱汽车、东京电力、尼桑和丰田公司共同建立了CHAdeMO协议会，以推进电动汽车快速充电设备的标准化。该组织提出了普及电动汽车的新思路，即在高性能电池技术难度大、成本高，难以快速普及的情况下，通过合理布局公共快速充电系统可以有效推进电动汽车普及。

四、新能源电动汽车发展对策分析

新能源汽车“新”就“新”在动力系统，而动力系统的关键就是动力电池。看好动力电池行业基于三点：第一，在产业化初期，先进的动力电池厂商，必将成为汽车厂商争夺的焦点；第二，动力电池是新能源汽车产业链中技术最核心，产业链利润最丰厚的一环；根据美国国家可再生能源实验室NREL在2008年的统计数据，目前新能源车成本构成中，动力电池占混合电动汽车成本的26%，略低于发动机；在插电式混合动力汽车PHEV20（即充一次电可跑20公里）中，电池成本占39%，而在PHEV40中，电池成本达到了汽车成本的51%，都远远超过了发动机。可以想见，未来纯电动车的成本构成中，动力电池有可能高达60%。第三，动力电池市场空间巨大，未来几年将保持十几倍的增长。发展新能源电动汽车建议：

⒈技术突破，推动更强大的动力电池研发

加大对企业、研究院所和高校等的支持，发展电动汽车向更长的寿命、更远的续航里程、更快速的充电、更轻的质量、更低的成本、更完善的售后服务以及更安全的保障等发展。

⒉建设更便利的充电网络

由汽车厂、电网公司、中石油、中石化、电池厂及投资公司共同组成产业联合体，在加油站、电力公司、政府部门、汽车经销商、商场、超市、停车场等区域大规模建立充电站或电池交换站，利用波谷充电来解决充电瓶颈，改变消费者习惯。

⒊建立产业联盟和产业集聚地，加大产业化进程

要建立汽车厂商、电池厂商、科研院校之间的产业联盟，集中力量解决关键技术突破（如电池管理系统必须要电池厂商和汽车厂商共同研究完成），实现关键总成的国产化和产业化。