锂电标准之争 - 日志 - zhenghuagang

尽管车用锂电池正在朝着批量化生产方向发展，但是它依然是一项发展中的技术。目前锂电池所采用的材料及形状、性能各式各样，各个厂商一边摸索着最佳规格，一边进行着深度研发。其中，德国已经启动了针对电动汽车（EV）与锂电池的国际化标准研究。

锂电池的4R事业

　　在2009年10月举办的东京车展上，日产与住友商事宣布：双方将共同探讨锂电池的再利用问题。双方将这一合作称为“4R事业战略”——回收的锂电池将在电动汽车上实现“再利用”；组装成家用蓄电池等不同用途后“再销售”；将电池进行拆解，根据需求重新“再生产”。也就是以原材料回收再利用为目的的4个“Recycling”。

　　日产开始这项研究的初衷源于锂电池的成本问题。三菱汽车生产的电动汽车“iMiEV”售价459.9万日元，其中电池成本为200万日元，约占汽车售价的一半。在车用锂电池市场的初始阶段，售价较高不可避免。但日产认为如能预测未来回收量，其回收部分就可以控制新产品的价格。价格下调之后，就可以快速普及，批量化生产之后，就可以实现相对较低的成本。

　　日产表示，2010年下半年上市的电动汽车“Leaf”的售价将“与同等级别的汽油汽车存在可竞争性”。恐怕声明的这一价格不包括电池。也就是说，汽车售价中不包含电池价格，电池需要另行租赁。这种所有权不转移的租赁方式更利于电池回收。这与正在推进研究的锂电池4R事业构想相吻合。

　　这种商务模式的出发点是锂电池的较高剩余使用量。镍镉电池与镍氢电池在未充分放电状态下反复充电时，在“电池记忆效应”的影响下，老化速度将加快，其电池容量将不断减少。但是，锂电池就不存在这样的问题。因为尽管锂电池也会渐渐地降低可充电容量，但属于“轻微老化”，影响微小。

　　日产在美国进行的LA4模式的行驶实验中，承认其电池容量5年将减少约20%。实验中使用的锂电池容量为24kWh、行驶里程为160km。5年减少约20%的容量，也就是电池容量将不到20kWh、行驶里程不到130km。从数字来看，好像蒸发了很多，实际上老化的仅仅是容量，对输出几乎没有影响。这也表明，加速性能、最高速度不会受影响，因此行驶性能不会发生大的变化。

　　行驶里程如果能够保证130km，短途行驶就根本没有问题。大多数用户还是抱有这一想法——“性能差不多就行，只要价格便宜”。他们也有可能像购买二手车一样选择二手电池。另外，电池容量20kWh相当于普通家庭两天的用电量，因此，当作家用蓄电池使用，也具有相当的价值。

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2010-7-8 14:29

欧洲意图尽早制定规格

　　日产、三菱汽车等日本汽车厂商致力于与电机厂商成立合资公司，自主研发混合动力车（HV）、电动汽车中的最佳锂电池。锂电池技术诞生于日本，在手机、笔记本电脑等方面有着广泛的应用，日本企业也因此获得了全球市场上的很大份额。日本国内具备相当成熟技术能力的电池厂商也有很多。所以，可以说日本汽车厂商具备独自研发车用电池的最佳环境。

　　另一方面，欧洲的汽车厂商也正在与电池厂商共同进行着研究，但共同出资成立的合资公司还很少见，大多欧洲汽车厂商还是习惯于根据需要进行采购。只有戴姆勒是一个例外，它与德国化学厂商Evonik工业集团共同成立了生产锂电池的公司。

　　在围绕国际标准化的攻防上显露了日德意识上的差异。两年前，德国向国际电工委员会（IEC）与国际标准化机构（ISO）提交了车用锂电池规格方案。当时的德国既没有车用锂电池的商用业绩，也没有任何实验验证。对于日本而言，没有想到德国会率先提出规格方案。日本经济产业省的负责人表示：“日本总是在某种产品相对成熟之后才开始考虑其规格及标准化，而欧洲在产品化之前就开始制定对自己有利的商务概念。”

　　今后的环保汽车研发中锂电池是不可或缺的。这一点得到了世界上的共识。不能任由日本以电池为武器领航环保汽车竞争，恐怕也是国外厂商的共识。因此，德国先发制人。国际规格几乎都是由最先提出方的方案当作草案，某种程度上属于先发制胜。从外国采购电池，如果规格固定的话，容易进行交易。

　　德国提出的规格方案之一是电池的安全性与耐用性，不满足基准，将要求其停产。另外，在德国提出的方案中必须检查电池组单元，该检查工作需要许多时间与成本。而日本则认为只需要检查安全性与耐用性就足够了。日本提出的这些主张得到了认可，估计在规格被正式制定前，德国方案会被进行大幅修改。

　　另外，德国也提出了关于充电电压的规定方案。关于充电电压，日本于2005年开始推进实验检测，都是应用200V进行快速充电与家用充电。因此，日本希望将200V当作国际标准进行提案。但是，2007年末德国在日本之前提出了IEC中的400V方案。由于得到了欧洲范围内的广泛支持，使得400V成为国际标准的可能性加大。

　　充电方面，电动汽车与充电器之间的通信协议、插座形状等也有必要标准化。日本希望将其国内已经取得统一的方式作为国际化标准，但是欧洲恐怕不会一下子接受，争论将会持续。

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2010-7-8 14:29

车身一侧与充电器一侧的形状不一致就不能充电，因此在公共场所增加充电器需要标准化

正极材料掌控进化的关键

　　围绕规格的争论中心是安全性问题。锂电池还是一项发展中的技术，如今各个厂商还在摸索最佳方案。日本经济产业省为了避免“单元的形状与材料过早标准化，从而不利于自主研发，因此采用了不否定所有可能性的方针”。现阶段，相对于以规格和标准化来确保市场上的优越性来说，主要还是优先进行技术研发。

锂电池相对于其它电池，在技术研发方面有很大的灵活性。在材料研发中，特别重要的是正极材料。正极材料将决定电池的输出等基本性能。
　　一般情况下，正极材料通常采用钴酸锂（LiCoO2）。与其他材料相比，钴酸的质量容易被控制、易于电池的制造。但钴是一种高价材料，在像电脑这样的小型设备中用量较少，因此可以通过控制总生产成本弥补较高的材料费用。

　　但是，在车用的情况下，钴的需要用量较多。因此，许多厂商都在研究将低价的锰、镍来当作正极材料资源使用。日本产业技术综合研究所蓄电设备研究组的辰巳国昭组长对正极材料的研发现状作了如下说明：

“使用镍的正极材料其容量较大、可以实现电池的小型化，但是，合成的时候难以确保质量稳定性，也就是工艺成本较高。锰易于合成，但是能源密度较差，特别是在高温下电池容量会减少。因此，我们正在研究将这两者混合起来，取长补短。减少钴含量而用镍来补充的复合材料、镍锰钴三元系正极材料等的研究也在不断发展中，部分研究成果已开始产业化。”

　美国与中国通常选择橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料。磷酸铁作为电池正极材料的性能稍差。使用钴酸的普通正极材料的放电电压约为3.7V，而使用磷酸铁仅为3.0V左右。

　手机使用中一般需要保持3.0V以上的放电电压，这一点磷酸铁难以达到。不过通过将电池串联成一组的方法就可以弥补较低的放电电压问题，但是对于小型设备来说，又面临放置空间问题。汽车与小型设备不同，汽车容易解决放置空间问题。另外，这一材料稳定性较高，热崩溃风险较小，安全方面的优越性较高。

　美国A123系统公司研发的电钻等工具中所使用的锂电池就是将磷酸铁作为正极材料的。其电池被世界最大的动力工具厂商——美国百得公司所采用，备受瞩目。其后，A123在DOE（美国能源部）的扶持之下开始了车用电池的研发，如今正在与包括通用汽车等各种厂商一起，合作进行车用锂电池的研发。2009年10月，日本IHI的锂电池事业与A123签署了共同事业合同，也使得A123的影响力日益提升。

　中国BYD（比亚迪）所生产的磷酸铁锂电池所占的市场份额也在不断扩大。该公司作为一个二次电池厂商已经成长为全球性企业，最近该公司开始了电动汽车的研发与生产，受到了世界的关注，甚至还吸引了著名投资家巴菲特的投资。在中国这一全球最大的汽车市场背景下，该公司的影响力不可小视。

新一代锂电池的研发

磷酸铁与其它正极材料相比，成本是最大的优势。随着电动汽车市场的不断扩大，在批量生产之后，锂电池的价格将会更加便宜。即便电池的性能不佳，但因为便宜，多装载几个电池也就可以了。不过，在装载电池的数量增加后，车身的重量也会增加，用电量随之增加，这将需要越来越多的电池。

　但是，相对于价格来说，日本厂商更追求性能。他们一边在正极材料中使用镍、锰，一边则根据未来趋势，推进研发。
　　为日产“Leaf”生产锂电池的Automotive EnergySupply（AESC）是日产与NEC、NEC东金成立的合资公司，他们将锰系材料作为正极材料。NEC研发的叠层电池并不是使用任何正极材料都好用，只有与锰系的正极材料组装才能发挥作用。可以说，目前日产一边积累使用锰系正极材料叠层电池的经验，一边并行推进未来技术的研发。

　此外，日本汤浅公司的电动汽车采用了锰系正极材料，三洋电机则采用了三元系正极材料。也有厂商考虑采用磷酸铁，不过日本国内的厂商还是以锰系与三元系为主流。
　　日本产业技术综合研究所正在推进新的电极材料研发以及锂电池节资源化、低成本化等相关研究。

　田中化学研究所是一个知名的正极材料研发机构。2009年8月日本产业技术综合研究所与其共同研发了新的无钴正极材料。该正极材料不管含有多少铁，放电电压均为3.5～3.7V，与使用钴酸的情况下性能接近。使用的材料按照原材料（氧化物）价格换算的话，铁是钴的1/10、锰是钴的1/8、钛是钴的1/4，与钴酸电池相比能够大幅削减原材料费用。

　“摸索各种可能性的时候，并未发现性价比更高的正极材料。因此一直寄期望于在正极使用空气极的锂空气电池以及使用硫化物固体电解质等类型的电池。不管采用哪一种，未来二次电池的主流仍然是使用锂离子的电池”（日本产业技术综合研究所蓄电设备研究组辰巳组长）。

　日本经济产业省在2006年的时候，曾规划特殊用途的通勤型电动汽车于2010年上路，但是三菱汽车的“i-MiEV”在2009年就上市了。“插入式混合动力车普锐斯”预计将于2015年前后应用，不过2009年12月丰田就开始面向政府与企业提供“插入式混合动力车普锐斯”的租赁业务。据称该款车型将于两年后开始商业销售。可见，汽车的电动化正在以超乎预想的速度发展。
　　此前，日本经济产业省曾经描绘了一个路线图，该路线图显示，到电动汽车真正开始普及的2030年时，也会诞生创新型电池。与2006年的电池相比，性能将提升7倍，而成本则将降低为原来的1/40。