【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)力鋰離子電池是以鋰離子電池為材料的一種高能量密度電池，是專(zhuān)門(mén)為機(jī)動(dòng)車(chē)提供動(dòng)力的鋰電池，具有零污染、零排放、能量密度高、體積小和循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池發(fā)展和應(yīng)用的趨勢(shì)。 圖 18：鋰離子電池充放電原理圖 圖 19： 鋰離子電池內(nèi)部構(gòu)造圖（聚合物鋰電） 鋰離子電池是代表未來(lái)發(fā) 展方向的綠色能源電池，相比其他二次電池的性能優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在： ? 電壓高，單體電池的工作電壓高達(dá) ，是 NiCd、 NiH 電池的 3 倍。 ? 比能量大，目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為 100125Wh/kg 和240300Wh/L（ 2 倍于 NiCd， NiMH） ,未來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展 ,比能量可高達(dá) 150Wh/kg 和 400 Wh/L。 ? 循環(huán)壽命長(zhǎng) ,一般均可達(dá)到 500 次以上 ,甚至 1000 次以上 .對(duì)于小電流放電的電器 ,電池的使用期限將倍增電器的競(jìng)爭(zhēng)力。 ? 安全性能好 ,無(wú)公害 ,無(wú)記憶效應(yīng)。鋰離子電池中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的 NiCd 電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但鋰離子電池根本不存在這方面的問(wèn)題。 ? 自放電小，室溫下充滿(mǎn)電的 Liion 儲(chǔ)存 1 個(gè)月后的自放電率為 10%左右，大大低于 NiCd 的 2530%， Ni、 MH 的 3035%。 ? 可快速充放電， 1C 充電是容量可以達(dá)到標(biāo)稱(chēng)容量的 80%以上。 ? 工作溫度范圍高，工作溫度為 25~45176。 C，隨著電解質(zhì)和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到 40~70176。 C。 隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗的要求越來(lái)越高，鋰離子電池所具有的循環(huán)利用壽命長(zhǎng)、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)愈加突顯，尤其是鋰離子電池成本不斷降低及安全性能不斷提高以后，鋰離子電池將在更多領(lǐng)域替代其他類(lèi)型的電池，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。 液態(tài)鋰離子電池出現(xiàn)較早，工藝路線相對(duì)成熟，成本較低，占據(jù)了當(dāng)前 90%成品鋰電池市場(chǎng)。但是聚合物鋰離子電池采用高分子電極材料或者膠體狀電解液，不需要厚重的二次包裝，相對(duì)液體鋰離子電池具有能量密度高，形狀任意，更輕薄，以及高安全性等多種明顯優(yōu)勢(shì)，是一種新型電池。隨著筆記本電腦、手機(jī)、 DVD 等電器向移動(dòng)化、便攜化方向發(fā)展，對(duì)電池的形狀和性能都提出了更高的要求。這些都給聚合物鋰離子電池提供了無(wú)限的商機(jī)。未來(lái)發(fā)展看好聚合物鋰離子電池。 圖 20：鋰離子電池主要組分常見(jiàn)材料 動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的核“芯”， 動(dòng)力電池的性能對(duì)新能源汽車(chē)的成功發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。而正極材料的性能直接決定相應(yīng)動(dòng)力電池能否在電動(dòng)汽車(chē)上有一個(gè)好的表現(xiàn)。新能源氣車(chē)動(dòng)力電池應(yīng)具有比能量高、比功率大、自放電少、價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)及安全性好等特性。相應(yīng)的正極材料也應(yīng)滿(mǎn)足相同的要求。目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化最成功的 鋰離子電池正極材料是鈷酸鋰，而各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)則是能夠應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池用正極材料，比如鎳鈷錳酸鋰，錳酸鋰和磷酸鐵鋰等。 圖 21：主流正極材料性能參數(shù) 圖 22：正極材料參數(shù)和電動(dòng)汽車(chē)表現(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 未來(lái)動(dòng)力鋰電發(fā)展趨勢(shì)：降成本，提性能 純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)行里程之長(zhǎng)短取決于車(chē)載動(dòng)力電池容量大小，性能上動(dòng)力鋰電應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面： (1)較高的比能量和比功率； (2)優(yōu)良循環(huán)性，較長(zhǎng)壽命（ 10 年左右）；(3)較快充電時(shí)間； (4)較寬的工作溫度范圍（ 30℃ 60℃）； (5)較高安全性能。 圖 23：各種電 池性能比較 圖 24： 鋰電池成本解析 圖 25： 鋰電池各部分投資回報(bào)率 鋰離子電池的制造成本中，正極材料占比最高，將近一半。其次為隔膜，占比 10%14%。負(fù)極材料占整個(gè)生產(chǎn)成本的 515%。各部分投資回報(bào)率高低不一，其中隔膜制造的投資回報(bào)率最高，近 70%，近 3 年呈逐年上升趨勢(shì)。正極材料投資回報(bào)率最低，維持在 17%的水平。 圖 26：主流正極材料比價(jià) 國(guó)內(nèi)正極材料生產(chǎn)廠家主要占據(jù)中低端市場(chǎng)，這個(gè)市場(chǎng)的特點(diǎn)是要求產(chǎn)品價(jià)格 低廉、質(zhì)量合格，但是相互之間競(jìng)爭(zhēng)激烈?，F(xiàn)階段主要的正極材料廠家占有的市場(chǎng)份額相差不大。其中當(dāng)升科技占據(jù)最大的市場(chǎng)份額，其次為湖南瑞翔和杉杉股份。 圖 27： 20xx全球鋰電正極材料生產(chǎn)廠家占比 圖 28： 20xx中國(guó)鈷酸鋰正極材料生產(chǎn)廠家占比 圖 29： 國(guó)內(nèi)外主要正極材料生產(chǎn)廠商 動(dòng)力電池成本有望通過(guò)規(guī)模效應(yīng)降低。不同正極材料的原材料成本差異來(lái)自核心金屬的購(gòu)置成本，不同于鈷酸鋰，錳酸鋰、磷酸鐵鋰中，該費(fèi)用占成品電池成本比例極小。金屬原料的價(jià)格變化對(duì)錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料 生產(chǎn)廠家和終端電池廠家的利潤(rùn)率影響甚微，生產(chǎn)廠家的原材料價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)小。 錳酸鋰和磷酸鐵鋰電池的成本主要來(lái)自于制造成本，未來(lái)可通過(guò)規(guī)模效益大幅降低。電動(dòng)車(chē)電池成本占整車(chē)成本一半以上，電池成本降低，能有效拉低電動(dòng)車(chē)價(jià)格，為電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)道。 動(dòng)力電池核心原料磷酸鐵鋰專(zhuān)利帶來(lái)發(fā)展隱患。 磷酸鐵鋰核心發(fā)明和應(yīng)用專(zhuān)利均掌握在外國(guó)科研機(jī)構(gòu)和公司手中，中國(guó)對(duì)其研發(fā)和專(zhuān)利申請(qǐng)相對(duì)較晚，隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)興起，磷酸鐵鋰正極材料生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，專(zhuān)利壁壘可能限制我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的出口外銷(xiāo)。 負(fù)極材料 — 電動(dòng)汽車(chē)“芯”的另一半 商用 鋰離子電池大都采用碳材料做負(fù)極。金屬鋰是最早作為鋰離子電池負(fù)極的材料，但是金屬鋰在充放電的過(guò)程中不夠安全。 1982 年伊利諾伊大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過(guò)程快速可逆且電池可獲得較高的工作電壓。之后的商用鋰離子電池大都采用碳材料做負(fù)極。 可以作為鋰離子電池負(fù)極的碳材料種類(lèi)繁多，現(xiàn)階段研究的主要方向如下：石墨化碳材料、無(wú)定型碳材料、氮化物、硅基材料、錫基材料、新型合金和其他材料。 圖 30： 負(fù)極材料分類(lèi)比較 圖 31： 各類(lèi)負(fù)極材料的市場(chǎng)占有率 圖 32： 全球鋰電用負(fù)極廠家市場(chǎng)份額占比 現(xiàn)階段全球負(fù)極市場(chǎng)份額集中在 6 大廠家。負(fù)極材料相對(duì)正極占電池總成本低，且技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，基本能夠滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，其中國(guó)內(nèi)行業(yè)前三甲是深圳貝特瑞，上海杉杉，長(zhǎng)沙海容。深圳貝特瑞是中國(guó)寶安集團(tuán)控股 55%的子公司，是國(guó)內(nèi)電池碳負(fù)極材料標(biāo)準(zhǔn)制定者，截止 20xx 年 7 月，其碳負(fù)極年產(chǎn)能超過(guò) 7000 噸，價(jià)格 312 萬(wàn)每噸不等，全球市場(chǎng)占有率 12%，位居全球第四。 目前負(fù)極以碳材料為主，未來(lái)看好鈦酸鋰。目前商品化的鋰離子電池負(fù)極材料大多是嵌鋰碳材 料，由于可能在碳電極表面析出金屬鋰，與電解液反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w混合物，由此給電池、特別是動(dòng)力電池造成很大的安全隱患。 低電位過(guò)渡金屬氧化物及復(fù)合氧化物作為鋰離子電池的負(fù)極材料引起了人們的廣泛注意，鈦酸鋰是其中廣受關(guān)注的材料之一。鈦酸鋰容量高，充放電體積變化小，能夠提高電池的循環(huán)性能和使用壽命。常溫下，高的擴(kuò)散系數(shù)使得該負(fù)極材料可以快速、多循環(huán)充放電。作為動(dòng)力鋰離子電池負(fù)極材料有著巨大的研究?jī)r(jià)值和商業(yè)應(yīng)用前景。 電解液：基本實(shí)現(xiàn)自給，電解質(zhì)期待突破 電解液是鋰離子電池的四大主要組成部分之一，是實(shí)現(xiàn)鋰離子在正負(fù)極 遷移的媒介，對(duì)鋰電容量、工作溫度、循環(huán)效率以及安全性都有重要影響。 通常電解液占電池重量和體積的比重分別為 15％、 32％，其對(duì)純度及雜質(zhì)的含量要求非常高，生產(chǎn)過(guò)程中需要高純的原料以及必要的提純工藝。 圖 33： 電解液的生產(chǎn)工藝流程圖 電解液還需與電極形成匹配關(guān)系，同一電極在不同的電解液中循環(huán)性能是不一樣的，為此，電解液生產(chǎn)企業(yè)必須與下游客戶(hù)密切配合，根據(jù)客戶(hù)要求設(shè)計(jì)、生產(chǎn)不同配方的電解液，從這個(gè)意義上，電解液配方和響應(yīng)能力決定電解液廠商的競(jìng)爭(zhēng)力。 圖 34：配方設(shè)計(jì)是電解液的關(guān)鍵 電解液市場(chǎng)格局基本和 鋰電池分布一致，主要集中在中、日、韓三國(guó)，并且行業(yè)表現(xiàn)出較高的集中度，前三家廠商日本宇都（ Ube Industries），韓國(guó)第一毛紡會(huì)社（ chiel） ,三菱化學(xué)（ Mitshubishi Chem）合計(jì)占電解液市場(chǎng)份額的 70%左右，中國(guó)江蘇國(guó)泰下屬?lài)?guó)泰華榮也占有一席之地，市場(chǎng)份額 8％。 目前我國(guó)電解液已基本實(shí)現(xiàn)自給，自給率超過(guò) 80％，從對(duì)應(yīng)客戶(hù)關(guān)系看，通常大型電解液廠商和幾個(gè)鋰電生產(chǎn)企業(yè)建立合作關(guān)系，部分電池廠商自制電解液，典型如比亞迪和臺(tái)灣能元科技（ E－ One）。 圖表 35： 我國(guó)電解液產(chǎn)能較充足 單位：噸 隔膜：和國(guó)際先進(jìn)水平差距較大 鋰離子電池隔膜被稱(chēng)之為“第三極”，作用可見(jiàn)一般，主要有兩個(gè)方面：一方面起到分隔正、負(fù)極，防止短路的作用；另一方面，隔膜能夠讓鋰離子通過(guò)，形成充放電回路，因此鋰電隔膜應(yīng)具備良好的絕緣性、較小的電阻、較好的化學(xué)穩(wěn)定性。 動(dòng)力鋰離子電池對(duì)安全性和大電流充放電性能要求較高，其對(duì)隔膜厚度要求相對(duì)較低，但對(duì)離子透過(guò)性及安全方面要求更為苛刻，通常需要具備更高的強(qiáng)度、保液能力、熔化溫度以及透氣性。 圖 36： 鋰離子電池隔膜的一般要求 鋰離子電池隔膜主要為 多孔性聚烯烴，可分為單層聚丙烯微孔膜 (PP),單層聚乙烯微孔膜（ PE） ,乙烯、丙烯多層微孔膜。由于聚烯烴材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和相對(duì)廉價(jià)的特點(diǎn)，一直以來(lái)為隔膜加工的主要材料，也是未來(lái)動(dòng)力鋰電隔膜的主導(dǎo)材料之一。 隔膜生產(chǎn)具有高技術(shù)、投入大、建設(shè)周期長(zhǎng)、投資風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)，目前加工方法主要有干法（又稱(chēng)熔融拉伸， MSCS）和濕法 (又稱(chēng)為熱致相分離法， TIPS），其中前者又可分為單向拉伸工藝（代表性企業(yè)有美國(guó) Celgard 和日本 UBE）和雙向拉伸工藝（代表機(jī)構(gòu)有中科院化學(xué)研究所），濕法工藝代表性公司有 美國(guó) Entek,日本東燃等。 從效果看，干法遜色于濕法，但濕法工藝較復(fù)雜，使用溶劑可能產(chǎn)生污染，成本也較高，目前世界大多采用干法拉伸隔膜。我們認(rèn)為動(dòng)力鋰電對(duì)隔膜孔徑均勻性、安全性要求更高，濕法工藝或?qū)@得更好的機(jī)會(huì)。 由于電動(dòng)汽車(chē)處于起步階段，全球尚無(wú)針對(duì)動(dòng)力電池的成熟隔膜，但已經(jīng)成為了隔膜開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，如德國(guó)的 Degussa 公司開(kāi)發(fā)的有機(jī)底膜 /無(wú)機(jī)涂層復(fù)合的鋰離子電池隔膜。對(duì)小型鋰電已處于劣勢(shì)的我國(guó)隔膜生產(chǎn)商，動(dòng)力鋰電隔膜將是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。 圖 37： 干法和濕法隔膜比較 目前全球鋰電隔膜的市場(chǎng)規(guī)模約 為 億平方米，由于較高的技術(shù)門(mén)檻，全球鋰離子電池隔膜主要集中在日本和美國(guó)，其中日本旭化成（ Asahi Kasei E Materials）、美國(guó) Celgard 和日本東燃（ Tonen）合計(jì)占據(jù)了 77％市場(chǎng)份額。 我國(guó)生產(chǎn)電池隔膜的厚度和孔徑的均勻度和國(guó)外還存在較大差距，國(guó)內(nèi)所需的隔膜 80％仍由進(jìn)口滿(mǎn)足，現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備為低成本的單層聚烯烴拉伸隔膜生產(chǎn) 線， 主要供應(yīng)中、低端市場(chǎng)。 在我國(guó)涉及隔膜生產(chǎn)企業(yè)有河南格瑞恩，佛塑集團(tuán)的金輝高科、杭州華容科技公司，桂林新時(shí)科技等，但均不具備動(dòng)力電池隔膜的生產(chǎn)能力。 圖 38：電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè) 電機(jī) 電動(dòng)機(jī)可以在相當(dāng)寬廣的速度范圍內(nèi)高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在純電動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪音低。 與混合動(dòng)力汽車(chē)相比，純電動(dòng)車(chē)使用單一電能源，電控系統(tǒng)大大減少了汽車(chē)內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化，也降低了機(jī)械部件摩擦導(dǎo)致的能量損耗及噪音，節(jié)省了汽車(chē)內(nèi)部空間、重量。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是新能源汽車(chē)車(chē)輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是新能源汽車(chē)的核心部件（電池、電機(jī)、電控）之一，其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車(chē)行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動(dòng)汽車(chē)的重要部件。電動(dòng)汽車(chē)中的燃料 電池汽車(chē) FCV、混合動(dòng)力汽車(chē) HEV 和純電動(dòng)汽車(chē) EV 三大類(lèi)都要用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，選擇合適的電動(dòng)機(jī)是提高各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)性?xún)r(jià)比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)輛行駛過(guò)程中的各項(xiàng)性能要求，并具有堅(jiān)固耐用、造價(jià)低、效能高等特點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式顯得極其重要。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測(cè)傳感器以及電源等部分構(gòu)成。電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的三種主要形式是異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。其中，異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動(dòng)汽車(chē)，永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車(chē)中，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用 在客車(chē)中。各種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，批量生產(chǎn)的可靠性和成本比方案本身更為重要。 圖 39： 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成框圖 電動(dòng)汽車(chē)的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與其機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測(cè)傳感器以及電源等部分構(gòu)成。電動(dòng)機(jī)一般要求具有電動(dòng)、發(fā)電兩項(xiàng)功能，按類(lèi)型可選用直流、交流、永磁無(wú)刷或開(kāi)關(guān)磁阻等幾種電動(dòng)機(jī)。功率轉(zhuǎn)換器按所選電機(jī)類(lèi)型，有 DC/DC 功率變換器、 DC/AC 功率變換器等形式，其作用是按所選電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流要求，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓等級(jí)的直 流、交流或脈沖電源。 圖 40： 車(chē)用電機(jī)及其控制器方案選擇 電機(jī)本體結(jié)構(gòu) 以三相異步電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明。 ? 定子部分： 1）定子鐵心：由導(dǎo)磁性能很好的硅鋼片疊成 — 導(dǎo)磁部