电池在新能源领域的应用

电池在新能源领域的应用

电池产业的技术创新相对缓慢，产品生命周期较长，且需多项关键技术的整合与生产技术经验的累积，与外围产业依赖度高。电池产业需要多项技术的整合，包括化学技术、生产技术、电子技术和材料开发技术等，产业的进步不仅需要在理论上不断提高，在生产上亦需要长时间的技术经验积累。总体上，电池产业的发展经历了一个由最早的铅酸电池到镍镉电池，再到镍氢电池、锂电池、燃料电池的历程。这些电池在竞争中发展，形成了具有各自特色的应用领域和行业门类。

图9.1　二次电池的发展历程

一、各类电池的对比和应用

为了能应用于新能源汽车，电池在以下的一些指标上应该满足比较高的标准。

●比能量、比功率：单位重量所提供的能量、单位重量所提供的功率，该

指标越高，电池在使用过程中就越方便。

●工作温度：工作温度范围较大的电池更有助于在汽车系统当中工作。

●自放电率：自放电率越低，电池在不使用时电能保存得越好。

●循环充放次数：衡量使用寿命。

●安全性：有些电池可能出现爆炸的情况。

●充放电时间比：充满电和全部放电的时间比，比值越小使用越方便。

●环保性：是否含有有毒金属（重金属）。

●成本：生产电池所付出的代价。

表9.1　各类电池的缺陷汇总

续　表

经过对比，铅酸电池基本上在新能源汽车上被否定；镍氢电池、镍镉电池在价格基本相当的情况下镍氢电池更具优势，为现在新能源汽车当中应用最为广泛的品种；锂电池虽然在安全性和成本上比镍氢电池存在一定劣势，但是其他性能方面优于镍氢电池，随着正极材料的深入研发，未来会逐步取代镍氢电池；燃料电池的制造和使用成本都较高，目前大规模使用可能性不大。

二、主要应用于汽车动力系统

运输工具消耗全球60%的石油，其二氧化碳排放占全球排放的16%。过去30年，全球交运工具消耗的石油占比从45.4%增加到了60.5%。减少交通运输领域的石油消耗，是人类摆脱石油依赖最重要的途径之一。另外，汽车排放的二氧化碳量急剧增加，加速了地球变暖趋势，预计汽车二氧化碳总排量将从1990年的30亿吨增加到2020年的60亿吨。而电池在新能源领域的应用主要是取代油气资源，在车辆系统当中承担提供动力的作用。从长远来看，电池如果能在车辆系统中取得长足的技术进步，将会改变全球对于石油资源的依赖度，缓解石油储量日益减少所带来的不利影响，同时降低全球碳的排放量，抑制全球变暖。

将电池应用于汽车系统有三种方式：混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、纯电动汽车（Electric Vehicle，EV）和燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）。

混合动力汽车（HEV）存在两个动力源：内燃机和储能电池。汽车可由电动机或内燃机发动，在刹车及下坡时，电动机将动能转成电能为电池充电。

纯电动汽车（EV）取消了传统的内燃机，动力来源于自身携带的储能电池。储能电池依靠外界电源充电，在汽车启动时电池向电动机供电，由电动机直接向驱动轴输出扭矩，驱动车辆行驶。

燃料电池电动汽车（FCEV）既摒弃了内燃机，也不需要从外界充电，而是通过自身携带的液态氢和氧在燃料电池中的化学反应发电，为电动机提供能量，进而为汽车驱动轴提供扭矩。

表9.2　三种电动车的主要特点

从能源角度说，三种电池的应用都降低了石油资源的用量，降低了排放量。从应用上来说，HEV目前的商业化进程最快，是最主要的新能源电池的应用方向。

以国内市场的一部分混合动力车为例，混合动力车节油率多数在30%以上，有效地降低了油耗。

表9.3　部分混合动力汽车基数参数

将电池应用于汽车系统，仍然存在一些问题亟待解决：

1.使用的便利性：由于电池容量相对有限，相比汽/柴油车，电动汽车车载能量较少，续驶里程明显偏小。充电站数目很少，专业快充充电网络尚未健全，慢充电时间长达5小时以上，容易给用户造成很不方便的消费体验，因此纯电动汽车还不被广泛接受。

2.电池组一致性问题：新开发的锂离子单体电池性能完全能满足实用需要，但动力电池需上百个单体电池组合使用。同时保持这么多单体电池的性能一致，难度较大，而一致性又影响到电池组整体寿命。目前条件下制造出来的电池一致性不佳，导致出现了单体电池寿命超过2 000次而电池组寿命只有500次的情况。一致性难题的解决有赖于制造工艺和设备水平的提升，以及电池管理系统的智能化。

3.电池组初置成本较高：由于技术的限制，电池成品率较低，另外动力电池尚未规模化应用，造成动力电池生产成本偏高。性能相当的电动汽车成本也明显高于传统汽车，虽然长期来看电动汽车使用费用远低于汽/柴油车，但消费者依然不愿意承担较高的初置费用。

三、亦可应用于电网调峰

凭借储电特性，电池可以在电网当中起到调峰的作用。主要应用方案如下：

1.利用电池的储电性能，将风能、太阳能等发电量波动较大的电源发电波峰时的电量有效地存储在电池当中，在用电波峰时释放电能，有效调节发电端和用电端波峰波谷不匹配的问题。

2.新能源动力汽车等充电设备在夜间充电的过程有效调节了昼夜用电量的差异，平滑电网用户用电量的昼夜波动。

总之，人们对电池的新能源应用已经不仅仅限于电动汽车，而是希望开拓更广泛的应用，利用电池的储能特性，提高能源的使用效率。

四、中国发展新能源电池的禀赋

（一）中国发展新能源电池的优势

我国镍资源、锂资源比较丰富，特别是锂资源全球占比较高，发展此类电池可以大大减少在资源领域受制于人的不利因素。

我国煤炭资源丰富，煤炭发电之后用于纯电动汽车，其经济性和环保性显著高于现在进行的煤变油的生产。

我国风力资源分布广泛，在电网当中用电池储电、终端夜间充电调峰，都可以有效地利用风能资源，有利于风电的开发。（二）中国发展新能源电池的劣势

在电池正极材料的研发过程中，我国处于劣势地位，现有科研实力难以保证迅速研制出世界一流水平的镍氢电池、锂电池。在研发技术得不到保证的情况下，应用此类电池可能受制于人。

图9.2　中、日、美三国电池技术比较（1）

图9.3　中、日、美三国电池技术比较（2）

五、政策建议

我国在新能源电池发展中所具备的优势在于拥有广泛的新能源电池原材料资源和应用前景，劣势在于新能源电池制造技术与国际先进水平尚有一定差距。针对上述情况，我国新能源电池发展应当注意：

第一，切实保护我国镍资源及锂资源，对此类在新能源电池中需要使用的金属资源采取保护性开发，杜绝滥采滥挖，必要时对此类资源的出口征收高额关税。

第二，加强对新能源关键技术研发的政策支持力度，鼓励科研院所及相关企业引进、吸纳国外先进电池制造技术，促进我国电池工业技术水平提高。

第三，加大对新能源汽车、智能电网等新能源电池应用领域的扶持力度，保证新能源电池有效应用于新能源领域，发挥其储电、节能的效用。