ＩｉＮ￥１ＧＨＴｌ Ｉ匪蛋团 我国电动汽车用动力电池的 工程科技中长期发展战略研究 一文／薛轶张向军 卢世刚 北京有色金属研究总院 电动汽车是实现交通能源转型的 ＥＶ／ＰＨＥＶ为２０％～３０％、ＦＣＶ为３％ 起成立了“中央企业电动车产业联盟”， 根本途径，美国、日本、德国、韩国等国 以下。根据国际能源署（ＩＥＡ）“世界能 确立了把纯电动车作为中央企业战略 家和世界主要汽车制造商正在积极推 源展望２００９”的研究，２０３０年全球电 发展的重点，通过联盟共同推进电动 进电动汽车的产业化和商业化。美国 动汽车将占汽车销量６０％，其中ＨＥＶ 车产业关键共性技术的研发和产业化 基于其能源安全战略，２００９年提出至 占３０％、ＰＨＥＶ和ＥＶ占３０％。 建设。目前，电动汽车产业已列入我国 ２０１５年普及１５０万辆插电式混合动力 我国在电动汽车领域已经经历了 战略性新兴产业，预计未来５年，我国 汽车（ＰＨＥＶ）。德国以降低排放为战 ｌ０余年的研发历程，基本掌握了电动汽 将建立电动汽车产业体系，２０１５年后， 略目标提出了至２０２０年普及１００万辆 车的关键核心技术，具备了小批量的整 电动汽车产业将进入快速发展时期，至 纯电动车（ＥＶ）和ＰＨＥＶ的目标。日本 车生产能力。通过国家“８６３”计划、 汽 ２０３０年，电动汽车将有望成为我国的主 的电动汽车产业处于国际领先水平， 车振兴产业规划》、 新能源汽车补贴政 要交通工具。 丰田公司自１９９７年以来，累计销售混 策 等的支持和“十城千辆”、北京奥运 动力电池是电动汽车发展的关键。 合动力汽车（ＨＥＶ）超过２００万辆，占 会、上海世博会等的示范运行，我国政 为了明确未来２０年我国电动汽车用动 全球销售量的８０％；２０１Ｏ年日产公司 府积极推进电动汽车产业化和商业化。 力电池发展的战略方向和重点任务，在 在日本、美国开始销售纯电动车，至 国内相关企业积极行动，把电动汽车作 中国工程院和国家自然科学基金委员 ２０１２年将达到２０万辆的产能；２０１０年 为我国汽车产业实现跨越式发展的重 会的支持下，北京有色金属研究总院承 ４月日本经产省提出，２０２０年电动汽 要举措。值得一提的是，２０１０年８月，在 担了我国电动汽车用动力电池工程科 车的乘用车在新车销售中比例最大 国务院国有资产监督管理委员会的指 技中长期发展战略相关课题的研究，本 将达到５０％，其中ＨＥＶ为２０％～３０％、 导下，由中国第一汽车集团公司、中国 文简要介绍相关研究的主要内容。 ＥＶ／ＰＨＥＶ为１５％～２０％、燃料电池汽 东风汽车集团公司、中国海洋石油总公 车（ＦＣＶ）为１％以下；２０３０年电动汽 司、北京有色金属研究总院、国家电网 一、动力电池现状与发展趋势 车的乘用车在新车销售中比例最大 公司、中国石油天然气集团公司、中国 目前，电动汽车用动力电池主要 将达７０％，其中，ＨＥＶ为３０％～４０％、 保利集团公司等１６家中央企业联合发 有镍氢电池和锂离子电池。在已经商 新材糊产业ＮＯ．１ ２０＂１１■殂 业化的混合动力汽车中主要采用镍氢 电池，而目前ＰＨＥＶ和ＥＶ主要采用锂 离子电池。 动汽车产业发展的需求。 从动力电池陛能上看，目前车用动 力电池比能量为１００～１５０Ｗｈ／ｋｇ，一 电动汽车对动力电池及其材料的需 求，可以对电动汽车产业发展规模作 出以下判断：至２０１５年，我国电动汽 车产业将在依赖政府的推动下形成初 步产业规模，生产量将达到１００万辆， 我国已开发的混合电动汽车广泛 使用了镍氢电池，如一汽集团、东方汽 次充电后ＥＶ行驶里程为１００－２００ｋｉｎ， 不及传统汽油车的１／３。在大力提升目 车集团、长安汽车和上汽集团等。目前 前车用动力电池安全性、寿命、低温特 其中，｝昆合动力汽车预计占主导并将 在建镍氢电池产能接近４亿Ｗｈ，主要 有湖南科力远新能源股份有限公司、 中山中炬森莱高技术有限公司、湖南 神州光电能源有限公司、江苏舂兰清 洁能源研究院有限公司、内蒙古稀奥 科镍氢动力电池有限公司等。根据汽 车产业发展态势，预计未来５～１０年， 我国相当一部分混合动力汽车仍将采 用镍氢动力电池。 自２００５年以来，电动汽车用锂离 子电池的研究与产业化明显加速，全 球产业投资已超过１００￣Ｌ美元，集中在 ２００９－２０１０￣投产，并计划在２０１ｌ＿２０１３ 年实现量产。电动汽车用锂离子电池 主要采用锰酸锂（ＬＭＯ）、镍钴锰氧 化物（ＮＣＭ）、镍钴铝氧化物（ＮＣＡ）、 磷酸铁锂（ＬＦＰ）等正极材料，钛酸锂 （ＬＴＯ）、石墨（Ｃ）、硬碳（ＨＣ）等负极材 料。表ｌｙＪＪ出了目前投产锂离子动力电 池的主要类型、性能指标。 我国在建锂离子动力电池超过 ４５亿Ｗｈ，若按每辆车３０ｋＷｈ计算，可 满足１５万辆装车要求，主要生产企业 包括比亚迪股份有限公司、天津力神 电池股份有限公司、深圳市比克电池 有限公司、万向集团有限公司、苏州 星恒电源有限公司、中信国安盟固利 电源技术有限公司、哈尔滨光字蓄电 池股份有限公司等，此外还有一大批 中小型企业。总体上看，我国锂离子电 池产业在国际上已经具有一定的影响 力和竞争力，未来２～３年，特别是以 ＬＦＰ／Ｃ、ＬＭＯ／Ｃ体系为主的产品将 实现商业化，将能够满足我国近期电 网Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 性，降低成本的同时，新型电池技术已 实现商业化，达到８０万辆，插电式混 经成为各国竞争焦点，２００９年日本政府 合动力汽车和小型纯电汽车预计形 投入２ｌ０亿日元研发先进锂离子电池 成２０万辆产业规模，以商业化示范运 （＞２５０Ｗｈ／￣）和先进电池（５００Ｗｔｖ￣、 行为主；２０１５－２０２０年，电动车产业 ７００Ｗｈ／ｋｇ）技术。为大幅度提升动力 特别是ＨＥｖ产业将迅速发展，２０２０ 电池比能量，新型电极材料成为研究 年电动车将达到４５０万～６００万辆，其 的热点，有报道称，日本松下采用纳米 中，ＨＥＶ达到２５０万～３００万辆左右， 硅材料为电池负极、以镍基氧化物为 ＰＨＥＶ达到１５Ｏ万～２００万辆左右， 正极组装的１８６５０型电池，比能量超过 ＥＶ达到５０万～１００万辆左右；２０２０年 了２５０Ｗｈ／Ｋｇ；而美国一家公司开发 以后，我国电动车产业将进入高速发 的镍基固溶体类正极材料比容量达到 展时期；２０３０年电动汽车将可能超过 ２８０ｍＡｈ／ｇ，组装的２０Ａｈ电池比能量 传统汽车，预计达到８００万～１０００万 达到了２５０Ｗｈ／ｋｇ。 辆，其中，ＨＥＶ达到３２０万～４００万辆、 我国电池材料产业具有一定的优 ＰＨＥＶ占３２０万～４００万辆、ＥＶ达到 势，镍氢电池正极材料——球形氢氧 １６０万～２００万辆。 化镍（Ｎｉ（ＯＨ），）年产能达到２０ ０００ｔ， 依据以上判断，结合电池产业自 负极贮氢合金年产能达到２０ ０００ｔ左 身发展规律、资源、政策等因素，北京 右，产品都实现了出口；锂离子电池 有色金属研究总院对未来２０年电动 的正极材料、负极材料、电解液等均可 汽车用动力电池及其正负极材料的 以满足便携式电子产品对电池的要 需求进行了预测，表２ｙｔＪ出了有关预 求，但在锂离子动力电池材料方面，技 测结果。预计镍氢电池将主要应用于 术水平还有待进一步提升，新型电极 混合电动汽车，２０１５年需求量预计占 材料的研发亟待加强。 动力电池总需求量的３０％，２０２０年以 后则只占１０％左右。电动汽车总量增 二、面向２０３０年的动力电池及 加，对镍氢电池及其材料的需求将保 其材料需求预测 持平稳的增长态势。锂离子电池将保 未来２０年将是我国电动汽车产业 持高速增长态势，预计到２０２０年电动 发展的关键时期。为了预测未来２０年 汽车对锂离子动力电池需求将到达 表１ 已投产锂离子动力电池的主要类型和性能指标 指标 ＬＭ０／Ｃ ＬＭＯ／ＬＴＯ ＬＦＰ／Ｃ ＮＣＭ／Ｃ ＮＣＡ／Ｃ 比能量／（Ｗｈ／ｋｇ） ７０～１２０ ６Ｏ～１００ ５０～１２０ ２００ ５０～ｌ８５ 比功率／（ｗ／ｋｇ） ２０００——４５００ ４０００ ５００——５０００ ５００ ４５００ 寿命 ５～１Ｏ年 １Ｏ余年 １０余年 ｌ０余年 ｌ０余年 ｌＨＳｉＧＨＴＩ匪蛋 ４５０亿～５５０亿Ｗｈ，而２０３０年将超过 表２面向２０３０年动力电池及其材料的需求预测 １０００亿Ｗｈ。从表２中我们还可以看出， ２０１１年 ２０１５生 ２０２０焦 ２０３０焦 随着动力电池产业的发展，动力电池 电动汽车产量／万辆 ５０ １００ ４００——６００ ８００～１０００ 材料特别是锂离子电池材料将同样高 电池需求／｛ＬＷｈ ４５ １０Ｏ ５００——６５０ １２００～１５００ 速发展。 镍氢电池需求／￣ＬＷｈ ３．６～５ ３０ ５０～１００ ｌ０Ｏ～２００ 锂离子电池需求／＇［ＬＷｈ ４０ ７０ ４５０——５５０ ｌ１Ｏ０～ｌ３００ 三，面向２０３０年的动力电池工 镍氢 正极材料／ｔ １５００ ｌ０ ０００ １５ ０００～２００００ ３００００——４００００ 程科技任务和目标 电泡 负极材料／ｔ １２００ １０ ０００ ｌ５ ０００～２００００ ３００００～４００００ 我国基本掌握了混合动力汽车的 锂离子 正极材ｆ－￣－／ｔ ９０００ ｌ０ ０００ ３５００Ｏ～４５ ０Ｏ０ ７００００～８００００ 核心技术，预计未来５年将向产业化迈 电池 负极材料／ｔ ５０００ ６０００ ２５０００～３００００ ４００００——４５ ０００ 进；今后电动汽车将主要开发插电式 混合动力汽车和纯电动车技术，通过 表３面向２０３０年我国动力电池及材料的工程科技发展任务和目标 示范运行完善产业技术和基本设施建 目标内容 ２０１０焦 ２０１５芷 ２０２０正 ２０３０芷 设；纯电动汽车将向３００ｋｍ行驶里程 建设具有自主知识产权的 关键技术研 世界先进水 世界领先水 锂／硫、锂／ 发展，至２０３０年可能达到５００ｋｉｎ以上。 发与产业化 平，先进锂离 平，先进锂离 空气等先进 至２０１５年，我国车用动力电池技 电池及材料产业体系 示范 子电池产业 子电池大规 电池达到实 示范 模应用 用水平 术将围绕混合动力汽车的产业化，完善 镍 比功率（ ）／（Ｗ／ｋｇ） ２０００ ＞２０００ 高功率镍氢动力电池和锂离子动力产 氢 电 比能量（ ）／（Ｗｈ／ｋｇ） ６０ ＞６０ 业技术；为支撑插电式混合动力汽车 池 和纯电动车大规模商业示范，必须进一 锂 比功率／（Ｗ／ｋｇ） ３００００） ４５００（Ｉ） １５００（２） ２０００（２） 步提高锂离子动力电池性能，降低生 离 比能量／（Ｗｈ／ｋｇ） ７０～１００ １５０～２００ ２５０——３００ ５００～７００ 子 产成本，使电池性能和成本满足１００～ 电 成本／（元／ｋＷｈ） ５０００ ｌ５００ ９００ ４５０ ２００ｋｍ纯电动车商业化的要求。至２０２０ 池 行驶里程／ｋｍ ｌ００ ＜２００ ＞２００ ＞５００ 年，我国车用动力电池技术将可能保持 注：（１）混合动力汽车；（２）插电式混合动力汽车 与世界同步发展，电池的性能和成本将 为实现以上目标，必须大力加强 达到５００～７００Ｗｈ／ｋｇ。 满足３００ｋｉｎ纯电动汽车商业化的技术 关键材料及共性技术的开发。预计至 总体而言，在世界各国发展电动 要求；２０２０－２０３０年将以开发新体系电 ２０１５年，通过磷酸铁锂、镍基正极材料、 汽车的竞争中，动力电池是关键。我国 池为主线，力争２０３０￣实现５００ｋｉｎ纯 石墨等关键材料性能提升，加强电池设 应当加强动力电池及材料工程科技的 电动汽车用电池的实用化。 计、长寿命、高安全性等共性技术和产 研发，实施“电动汽车用动力电池及其 表３为面向２０３０￣我国动力电池及 业关键技术的研究，可望使比能量为 关键材料产业工程”重大项目，建设镍 材料的工程科技发展任务和目标。未来 １５０～２００Ｗｈ／ｋｇ的锂离子电池达到实 氢动力电池、锂离子动力电池及相关 ２０年我国将建设具有自主知识产权的动 用水平；至２０２０年，硅基和锡基负极材 材料的产业基地，形成混合动力汽车、 力电池及材料产业体系，２０１５年锂离子 料、镍基固溶体正极材料、新型电解液、 插电式｝昆合汽车和纯电动汽车３个系 电池比能量提高到１５０￣２００Ｗｈ／ｋｇ， 隔膜等材料将达到实用水平，锂离子 列的产品；同时建设国家级研发机 ２０２０年达到２５０～３００Ｗｈ／ｋｇ，２０３０年 电池比能量提高至２５０～３００Ｗｈ／ｋｇ； 构，发展具有自主知识产权的下一代 比能量为５００～７００Ｗｈ／ｋｇ的新体系 ２０３０年，通过开发以锂硫、锂空气为代 电池和材料。搿牡口 电池将达到实用水平。 表的新体系电池，动力电池的比能量将 １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－－８９２Ｘ．２０１１．Ｏ１．００６ 致谢：感谢中国工程院和国家自然科学基金委员会的资助！课题研究过程中得到了干勇、陈立泉、屠海令、吴以成等院士的指导以及专家 和行业企业的大力支持，并提供了宝贵的资料、意见和建议，向他们誊示感谢！此外，文中有关数据主要依据公开发表文献、资料和网站整理， 没有一一列出，也在此表示感谢！ 新鲥料产业ＮＯ．１ ２０１１—０Ｅ一
