動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化

　　1 概述

　　新型電池作為驅(qū)動(dòng)型動(dòng)力源在大眾化市場可接受的重量范圍內(nèi)，具有超過200 km 里的續(xù)航能力，這為動(dòng)力電池成為汽車替代性能源提供重要途徑。在化石能源日益緊缺以及環(huán)保問題日益突出的情況下，大力發(fā)展動(dòng)力電池是國家戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)之一，需要國家從技術(shù)及資金上繼續(xù)進(jìn)行重點(diǎn)投入與支持。

　　2 電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的區(qū)別

　　電池作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源并非很新的話題，早在2004 年，M. Winter 和R. J. Brodd 博士曾就幾種電池、液態(tài)氫和液態(tài)天然氣的體積比能量和汽油進(jìn)行了對比（見圖1），事實(shí)上，鋰電池的質(zhì)量比能量約為汽油的1/20，體積比能量約為汽油的約1/6。基于轉(zhuǎn)化效率的影響，作者還就幾種電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)續(xù)航能力對比（見圖2），一組350 kg 的電池組的續(xù)航歷程為260 km，而50 L 汽油的續(xù)航歷程為720 km。顯然，從能量的角度講，動(dòng)力電池與傳統(tǒng)動(dòng)力的汽油相比有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｓ纱艘瓿鰜淼膬蓚€(gè)問題值得重點(diǎn)關(guān)注，一是從比能量上看，傳統(tǒng)能源與電池相比具有絕對優(yōu)勢，其戰(zhàn)略意義應(yīng)予以足夠關(guān)注。二是鑒于廣泛關(guān)注的能源危機(jī)和環(huán)境問題，從續(xù)航能量看，離子電池具備良好的適用性，若安全問題得到解決，該技術(shù)不失為一種良好的替代性技術(shù)。

圖1 幾種電池、液態(tài)氫和液態(tài)天然氣和汽油體積比能量對比

圖2 三種電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)續(xù)航能力對比

　　3 國內(nèi)外動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀

　　從完整的產(chǎn)業(yè)鏈角度講，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈包括電極及其活性材料、電解液、隔膜、生產(chǎn)設(shè)備及試驗(yàn)檢測儀器。在正極材料領(lǐng)域，主要公司有Valence、PhoSTech、A123 和日本的三井。目前，這些供應(yīng)商為了追求更高的附加值只是在做OEM，而不愿意向國內(nèi)市場供應(yīng)磷酸鐵鋰材料。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)有湖南瑞翔新材料、湖南杉杉新材料、北京當(dāng)升科技、北大先行等。我國的鈷酸鋰、錳酸鋰工藝相對成熟，但最為看好的動(dòng)力鋰離子電池磷酸鐵鋰正極材料處于產(chǎn)業(yè)化初級階段。

　　在鋰電池用隔膜材料領(lǐng)域，隔膜是技術(shù)壁壘最高的一種高附加值產(chǎn)品，目前全球隔膜的需求量超過數(shù)億平方米，中國的需求量在2 億平方米以上，隨著世界各國及我國新能源政策的實(shí)施，鋰離子電池成為電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車的最佳選擇后，鋰離子電池的市場規(guī)模將很快會(huì)擴(kuò)大到目前的5 ～ 10倍。目前國產(chǎn)隔膜研發(fā)雖然早已開始，但只能生產(chǎn)單層膜，并存在質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性問題。為滿足動(dòng)力電池的要求，亟待開展三層結(jié)構(gòu)隔膜的研發(fā)。

　　電解液領(lǐng)域最為關(guān)鍵的材料是電解質(zhì)，目前電解質(zhì)鋰鹽是LiPF6，全球年產(chǎn)量已超過2000 t，目前僅日本Stella、關(guān)東電化、森田化學(xué)能批量生產(chǎn)，國內(nèi)天津金?？缮a(chǎn)鋰鹽溶液，規(guī)模比較小，LiFSI 為一種新型的電解質(zhì)鹽，低溫性能好、氟含量低、對環(huán)境影響好于LiPF6，用于磷酸鐵鋰電池，可提高電池的倍率和低溫性能，應(yīng)用前景廣闊。

　　在鋰電池全自動(dòng)生產(chǎn)線裝備制造領(lǐng)域，全自動(dòng)生產(chǎn)線僅日韓能提供，主要用于生產(chǎn)電腦和手機(jī)電池，汽車工業(yè)要求鋰離子動(dòng)力電池具有高比能量、高比功率、長壽命、低成本，特別是要保證產(chǎn)品的均勻可靠性。其制造技術(shù)難度遠(yuǎn)高于小電池的要求，這些致使鋰離子電池行業(yè)須進(jìn)行重大的結(jié)構(gòu)調(diào)整。用于小型電池的電極制備工藝需要逐漸地被高效、低能耗和低污染的新工藝、新技術(shù)、新裝備所取代。此外，鑒于動(dòng)力電池的散熱和高功率輸入/ 輸出要求，平板式電芯設(shè)計(jì)模式也成為一個(gè)新的技術(shù)方向，這就要求我國相應(yīng)的電池制造工藝和裝備不斷地創(chuàng)新和深入發(fā)展。

　　４ 動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注的問題

　　我國自發(fā)展鋰電池以來，更多的關(guān)注在涉及到電池及其組件產(chǎn)業(yè)鏈以內(nèi)的各技術(shù)領(lǐng)域，而作為相關(guān)的外延問題卻沒有引起足夠重視。

　　（1）正負(fù)極電活性物質(zhì)的資源問題

　　自鋰電池誕生以后，包括Li、Co、Mn、Ni 及其相關(guān)化合物引起了人們的極大關(guān)注，尤其是鋰資源更顯得格外重要。按目前的動(dòng)力電池發(fā)展軌跡預(yù)測，到2050 年，將有約50% 的鋰資源會(huì)消耗殆盡。一方面，這些資源的管理應(yīng)切實(shí)上升到戰(zhàn)略層面，另一方面，還需有計(jì)劃扶持其他的新能源動(dòng)力技術(shù)如燃料電池技術(shù)。

　　（2）動(dòng)力電池涉及的環(huán)保問題

　　德國大眾在電動(dòng)車技術(shù)上走在世界前列，但據(jù)不久前報(bào)道，大眾卻宣布放棄電動(dòng)車最污染的項(xiàng)目—電池制造。這一現(xiàn)象涉及的核心問題之一便是電池制造可能帶來的環(huán)境污染問題。

　?。?）動(dòng)力電池使用能源的可再生性

　　從本質(zhì)意義上講，動(dòng)力電池僅涉及能源的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化，而不產(chǎn)生能量，電能從何而來以及如何制造這些電能，也同樣與環(huán)境息息相關(guān)，因?yàn)椴煌哪茉瓷a(chǎn)方式會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。如果電動(dòng)車能夠從“清潔”的能源中獲取電能，那么電動(dòng)車日益增多將有利于環(huán)境和氣候。然而，如果動(dòng)力電池獲得的能源來自不計(jì)污染成本的生產(chǎn)模式，這已失去動(dòng)力電池作為新能源汽車動(dòng)力的根本目的與意義。

　　5 標(biāo)準(zhǔn)化及安全測試領(lǐng)域存在的問題

　　我國大容量動(dòng)力鋰電池單體電池已經(jīng)具備了推廣應(yīng)用的條件，產(chǎn)業(yè)化建設(shè)成果顯著。在電池單體方面，規(guī)?；a(chǎn)和規(guī)模化應(yīng)用的條件已經(jīng)基本成熟。但從動(dòng)力鋰電池要求的高成組性、系統(tǒng)集成性、高安全性等和高標(biāo)準(zhǔn)化要求出發(fā)，以下幾個(gè)方面的問題甚為突出。

　　（1）關(guān)鍵質(zhì)量控制方法與可靠性保證技術(shù)仍需完善

　　標(biāo)準(zhǔn)化通常涉及產(chǎn)品技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)文件本身。目前，國內(nèi)“以人為主”的生產(chǎn)線無法避免高不良率，現(xiàn)有主要用于鉛酸蓄電池的成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備，不能適應(yīng)新型動(dòng)力電池的技術(shù)要求。這種情形一方面會(huì)導(dǎo)致電池生產(chǎn)成本的增加，另一方面使得電池性能不穩(wěn)定，影響到動(dòng)力電池的一致性、使用壽命等。當(dāng)前發(fā)生的動(dòng)力鋰電池使用壽命縮短及燃燒、爆炸等安全問題，均是由這些因素所引起。

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)化缺乏統(tǒng)一管理

　　由于我國行業(yè)管理等歷史因素，不同類別的電池往往是由不同的工業(yè)部門的企業(yè)主要生產(chǎn)并主導(dǎo)其標(biāo)準(zhǔn)的制修訂，相應(yīng)地行業(yè)管理也歸屬不同工業(yè)部門。國家標(biāo)準(zhǔn)與多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并存，并且標(biāo)準(zhǔn)范圍交叉重復(fù)的現(xiàn)象無論是對于產(chǎn)品的生產(chǎn)者，還是消費(fèi)者都造成了相當(dāng)大的困擾，并損害整個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

　　（3）標(biāo)準(zhǔn)體系和市場化的產(chǎn)品與技術(shù)保障體系不完備

　　除節(jié)能與新能源汽車科研項(xiàng)目中完成了幾項(xiàng)電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)外，動(dòng)力鋰電池和系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)仍處于空白狀態(tài)，而建立成熟的市場化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣應(yīng)用包括節(jié)能與新能源汽車在內(nèi)的與新型動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的基本條件，而這一條件目前尚不具備。這兩者之間不僅聯(lián)系緊密，而且相互制約。為爭奪市場，迫使所有企業(yè)都成為閉關(guān)自鎖的獨(dú)立體系，低水平重復(fù)開發(fā)和拼盡全力去建設(shè)不可能實(shí)現(xiàn)的自主產(chǎn)品和技術(shù)保障體系，產(chǎn)品處于完全混亂局面。

　?。?）沒有中立的動(dòng)力電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)符合性及安全試驗(yàn)平臺(tái)

　　新型動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成是一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成涉及到關(guān)鍵零部件及通訊和控制網(wǎng)絡(luò)、接口和通訊協(xié)議等產(chǎn)品，涉及電力、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等多種高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，涉及到復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)體系，安全問題也十分突出。產(chǎn)品只有通過科學(xué)、合理的標(biāo)準(zhǔn)符合性檢測及安全試驗(yàn)，才能從根本上保證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性與安全性能。當(dāng)前動(dòng)力電池領(lǐng)域存在的標(biāo)準(zhǔn)欠缺，標(biāo)準(zhǔn)化工作平臺(tái)不完善，必然會(huì)影響產(chǎn)業(yè)的規(guī)范化、科學(xué)化發(fā)展。

　　6 標(biāo)準(zhǔn)化及安全試驗(yàn)工程技術(shù)平臺(tái)建設(shè)的必要性

　　（1）新技術(shù)領(lǐng)域需要開展標(biāo)準(zhǔn)化研究

　　新型動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成作為一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，是與鉛酸蓄電池完全不同的新型蓄電池。目前主要用于鉛酸蓄電池的成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備，不能適應(yīng)新型動(dòng)力鋰電池的特點(diǎn)，與之配套的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要建立在成熟產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究以及標(biāo)準(zhǔn)的符合性檢測基礎(chǔ)之上。

　?。?）市場化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣新能源汽車與動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的基本條件

　　建立成熟的市場化的產(chǎn)品和技術(shù)保障體系是推廣應(yīng)用包括節(jié)能與新能源汽車在內(nèi)的與新型動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的基本條件。而標(biāo)準(zhǔn)是質(zhì)量保證的基礎(chǔ)，要建立相關(guān)市場化保障體系，需建立動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化及安全試驗(yàn)工程技術(shù)平臺(tái)。

　　（3）安全性評價(jià)是動(dòng)力電池實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的重要內(nèi)容

　　動(dòng)力電池相對于一般的便攜式鋰離子電池而言，安全性問題格外突出。美國小型可充電電池協(xié)會(huì)公布的FAA 試驗(yàn)報(bào)告認(rèn)為：非常小的火源就能夠充分將鋰離子電池加熱到打開壓力釋放機(jī)構(gòu)的溫度以上； 電解質(zhì)高度可燃且易于被點(diǎn)燃，滿充電電池在火焰中是更加易爆。此外，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提出內(nèi)部短路引起的現(xiàn)場失效的過程與在濫用條件引起的過程存在本質(zhì)的不同，一旦內(nèi)部短路點(diǎn)近旁的局部溫度達(dá)到一定水平，就可能使電池中所有含能材料分解，對于此，現(xiàn)在采取的保護(hù)措施大多是無效的，要解決這一問題，必須重視安全試驗(yàn)方法研究和手段建設(shè)。