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降低EV电池成本仍将面临重重困难
作者:Steven Ashley
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“在开发纯电动汽车的时候,”福特CEO Alan Mulally不久前在一个论坛上发表关于绿色技术的主题演讲时说道,“电池的尺寸会增加到23 kW·h,重量大概为600到700lb(272-317kg),每个电池的成本约为1.2万到1.5万美元(用于类似Focus这样的小车上,而其汽油版的售价仅为2万多美元)。比一比就知道其性价比是怎样的了。”

虽然在2011年市场对纯电池或部分电池驱动的汽车高度期待,但是雪佛兰Volt增程式电动车及日产Leaf纯电动汽车第一个整年销售的业绩并不理想。如果续航里程和充电设施这两个因素不再是消费者的担忧的话,那么车型居高不下的购车成本一定是使许多潜在消费者望而却步的最主要原因。电动汽车高高在上的售价很大一部分来自于锂离子电池的成本。

不过,据专注于新兴技术领域的Lux Research咨询公司首席分析师Kevin See表示,锂离子电池的成本在短期内不会大幅下降。“锂离子电池成本目前非常高,而且也不会随着产量的增加而下降,”他说道。这显然不利于未来电动汽车的大范围普及。“我们需要新的创新和策略,来更快更大幅度地降低电池的成本。”

虽然其他一些颇具前景的技术如锂空气、锂硫及镁基等电池也终会推出,但是这些都还是不成熟的技术。在到2020年前这段时间里,插电式混合动力车的命运将很大程度上取决于锂离子电池的成本。“锂空气电池是一个具有较高价值的提议,”他指出,“但是这种电池无法循环使用,未来还有很长一段路要走。”

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价值链成本结构

“我们跟踪了电动汽车市场的整个价值链,发现电池中采用的材料是决定车辆性能和成本的关键所在,”See说道。See与其同事开发了锂离子电池成本结构的量化模型,试图通过这种方式解读未来电动汽车市场的发展。他们还通过该模型来分析未来的技术创新会给成本带来怎样的影响。

在仔细研究过公司最新的报告后,他强调虽然提高生产规模同样重要,但是这还远不足以帮助实现成本大幅降低的目标。

“我们首先的假设是,规模经济会是电动汽车市场的救世主,不断提升的产量会大大降低成本,”从而推进电动汽车的普及,See说道。此外在材料性能和成本方面的不断改进和优化会进一步推动这个进程,但是结果是我们取得的进步依然达到不到要求。

“按照这个假设,我们距离美国先进电池联盟设定的到2020年实现150美元/ kW·h的目标还很遥远。”

Lux公司分析人员接着运行了这个成本模型,看看到2020年如果电池依然采用与今天相同的材料但是后继产品的设计因有望在未来二十年出现的技术创新而得到改进的情况下会怎样。这种“一切照常”的假设通过模型计算出到2020年电动汽车电池成本将为397美元/ kW·h。

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阴极材料技术

该报告显示,除了液态和固体/半固体电解液,阴极技术目前依然是决定锂离子电池技术水平的关键所在。它占据了电池单元整个成本的最大一部分,通常也是电池单元设计及容量的瓶颈。

Lux公司研究人员通过他们的成本模型对电池成本进行了预测:如果锂离子电池电压提升1V(总电压为4.7V)及电池容量增加40 MA·h/g(电池阴极要可以存储200 MA·h/g的电荷),到2017年,标称电池包成本可以从477美元下降到384美元,降幅为19%。

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该报告还指出了几种拥有更高容量潜能的阴极材料。尖晶石型锰酸锂在成本和安全性方面是一种不错的材料,但是在能量方面不行,不过这种先天不足可以通过与高能量含量材料如镍锰钴氧化物(NMC)或锂镍氧化物进行混合得到弥补。此外,可以灵活地调配NMC三种组成成份的比例,从而满足电池在成本和性能方面的不同需求。磷酸铁锂(LFP)在安全方面表现突出,但在性能方面有所牺牲。

报告还分析了其他一些在能量和成本方面具有潜在优势的新材料。可容纳较高容量和电压的阴极有利于提高能量密度,从而降低每瓦-时电量的成本。一种可能性是采用锂离子磷酸锰,这种材料不仅可以保留LFP的优点,还可以大幅提高能量含量。还有一种选择是富含锂的层状结构NMC阴极技术,由美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)开发。该技术可提供较高的容量和工作电压。不过,在这项技术可以投入商业化生产之前,产品生命周期等问题要首先得到解决。

阳极技术的发展

该报告还指出,硅是其中一种得到广泛研究的阳极材料,这主要得益于这种材料的理论容量较高,不过这种技术在成熟之前还需要一定时间,因为在锂离子嵌入和脱嵌过程中其体积变化较大。这个过程会给阳极带来机械应力,从而导致断裂并影响产品的使用寿命。

另外一种阳极材料——钛酸锂拥有卓越的性能表现,是快速充电电池非常好的潜在材料。钛酸锂与碳阳极相比可用能量高,但是它牺牲了能量密度。电解液供应商也在尝试加入添加剂来提升其性能。针对液体、固体和胶体电解液,研究人员可以通过调整配方来提高电池的热稳定性和安全性等特性。该报告指出,随着阴极电压的不断提高,耐高压的电解液将变得至关重要。离子液体可能会是一个长期的解决方案。这种熔融盐的熔化温度较低,可用于高压下,但是较高的成本和较低的离子导电性意味着这种材料在投入批量生产前还有大量的工作要做。

优化各个指标

“在降低成本方面有很多不同的策略,”See表示,但是最可行的有:

- 提升电池单元和电池包的性能
- 提高材料的利用效率
- 拓宽可用能量的窗口
- 降低电池容量衰减速度

See同时表示,为了确保较长的使用寿命,电池的尺寸一般都刻意做大,因为性能会随着时间的推移而逐渐下降。因此,他认为如果电池尺寸可以减小的话,整个成本有望降低20-30%。

电池管理技术也会给成本带来一定影响。电池管理系统在电池单元本身没有任何改进的情况可以提高电池的性能,尤其是电池的使用寿命及对失效电池单元影响的控制——主要通过采用新的软件算法来控制更小的电池组,同时优化每个电池组荷电状态窗口来实现的。

See还表示,整个行业为了降低成本而对材料创新形成了迫切的需求,这也引发了整个锂离子电池链上下大量的投资活动,比如产能扩张、新公司的进入加入以及合作的建立。

“供应商和终端用户必须携手起来,共同推动电动汽车市场的发展,”他建议道。“汽车制造商也要不断参与到电池设计,甚至材料的开发中,他们还需要加强为供应商提供的支持以及与他们的合作。”
文章内容仅供参考 (投稿) (8/15/2013)
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