电池技术异彩纷呈 相关标准亟待确立

美国能源部（DOE）的James A.Barnes博士在EVS25先进电池技术研讨会上表示，2010年，美国能源部在动力电池及材料方面的研发预算为1.52亿美元，“能源恢复法案基金”在动力电池制造方面的投资额为15亿美元，江森自控及A123系统等9家企业在锂离子电池制造方面合计投资也已达27.55亿美元。不过，对锂电子电池的外形、规格、容量、化学、安全性能方面还没有国家标准。

日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）氢能技术开发部储能技术开发室丸山阳一也表示，在日本，动力电池的国家标准正在制定中，目前的研发和制造主要是一些企业行为。2010年，NEDO的科技预算为26.1亿美元，不过他没有透露动力电池的具体研发数额。

2010～2014年，日本电池行业及材料行业将采用共同的评估方法，行业间的有效反馈机制有助于加速新型电池材料的研发。NEDO的动力电池研发目标如图1和图2所示。



图1 NEDO的动力电池研发目标



图2 下一代高性能电池系统的发展目标

NEDO于2009年7月启动了一项为期5年的下一代动力电池科技创新（RISING）项目，该项目共包括43个课题（见图3）。其目标是基于化学方法、前沿评估与分析，研究锂离子电池的基本反应原理和反应机制，改进电池的可靠性和性能，掌握实现创新性电池的基础技术。为此，在京都大学成立了电池研发中心（I-BARD），支持产业界、研究机构、政府间的合作。



图3 下一代高性能电池系统的开发包括43个课题

另外，NEDO于2010年进行了使用新能源和电网相连的储能系统研究项目（见图4）。这种高性能储能系统即智能社区，其中包含高效率的电能供应和创新的生活方式等。电池系统被安装在指定地区，如工业区和居民区等。储能系统项目对于今后采用可再生能源充电的电动车意义重大，储能系统可消除太阳能和风能发电的不稳定性，可再生能源动力电池与电网相连，可将夜间的便宜电能用于白天的峰值时段。



图4 与新能源相连的电网的储能系统情况

对于中国的动力电池标准，科技部863项目新能源汽车专家组的肖成伟表示，目前，在国家863项目内已建立了一些测试规范，并在此基础上提出了关于镍氢电池、锂离子电池、铅酸电池和超级电容器的4个国家强制性的行业标准（见图5），所有动力电池在实际商用前必须进行这些强制性的检验。同时，也在制定一些新的标准，包括电池标准化，安全性、循环寿命、电池系统要求，以及充电站、充电桩方面的国家标准或行业标准（见图6）。中国“十二五”期间动力电池的研发重点如图7所示。



图5 中国目前的动力电池行业标准



图6 中国将要制定的动力电池国家标准和行业标准



图7 中国十二五期间动力电池的研发重点

在电池国际标准化方面，JARI（日本汽车研究所）与国际标准化组织标准(1SO)和国际电工委员会标准(IEC)有一些合作（见图8），目前在跟踪锂离子电池的标准化工作，致力于电池测试流程的标准化，包括容量、功率、功效、存储、周期、冲击测试、高温性能、外部短路、过充电等。ISO的标准主要针对电池组或系统的测试，IEC主要针对各个不同参数之间的测试。这两个标准之间需要协调一致。



图8 JARI与IEC和ISO的合作

日产汽车JARI（日本汽车研究所）电池标准化工作组主席饭山明裕博士表示，JARI与IEC建立了共同工作组，主要围绕电池性能的标准化测试IEC 62660-1，以及电池安全性方面的测试标准化IEC 62660—2，在安全性方面，日本有自己的标准SAEJ2929。JARI与ISO的合作主要集中在ISO12405，包括混合动力车和纯电动车的标准。　

日产汽车JARI（日本汽车研究所）电池标准化工作组主席饭山明裕博士表示，JARI与IEC建立了共同工作组，主要围绕电池性能的标准化测试IEC 62660-1，以及电池安全性方面的测试标准化IEC 62660-2，在安全性方面，日本有自己的标准SAEJ2929。JARI与ISO的合作主要集中在ISO12405，包括混合动力车和纯电动车的标准。

IEC 62660—1和IEC 62660—2分别定义了混合动力车和纯动力车锂电池的性能、可靠性，以及在拉力测试下的表现。这些标准将会为锂电池的实验提供更多的标准，同时有助于更多了解锂电池组或系统的设计，及时发现不足。

另外，饭山明裕强调，不同锂电池材料的特性都不一样，电池组或系统的设计要因车而异，标准测试流程与条件要适合于每种电池组或系统（见图9）。



图9 锂电池组或系统的标准化概念

稀土锂钇电池

在电池材料方面，中国深圳中聚雷天开发了稀土锂钇电池（见图10）和稀土锂硫电池。其董事局主席钟馨稼认为，稀土锂电池完全可以代替石油作为清洁能源汽车的电池。因为稀土锂电池具有反复快速充放电、价格低廉、环保，生产原料充分，已经规模化、生产的优势。另外，稀土锂电池的耐高温特性解决了锂元素在高温状态下不稳定、易燃易爆的缺点。据称，美国AIG旗下的亚美保险公司和AXA保险公司已为稀土锂钇电池提供责任担保，若发生安全问题，最高一次赔偿额是200万元人民币。



图10 中聚雷天开发的稀土锂钇电池

钟馨稼指出，电池快速充电是纯电动车发展的关键。全球各种常用动力电池性能比较如表1所示。稀土锂钇电池质量能量密度150-190Wh/kg，可以进行20分钟恒流充电。稀土锂硫电池的质量能量密度为1200 Wh/kg（见表2）。TS-LFP700AHA型稀土锂钇电池充放电曲线如图11所示。







图11 TS-LFP700AHA型稀土锂钇电池充放电曲线

目前，意大利、芬兰、丹麦、俄罗斯、美国、日本、韩国、阿联酋、英国、德国、法国、以及中国的部分新能源电动车已在使用稀土锂钇电池。现在生产的稀土锂钇电池价格大约610元人民币/kWh，合90美元/kWh，稀土锂硫电池价格590元人民币/kWh，合86美元/kWh。据悉，稀土锂硫电池将在2012年开始批量生产。

他还建议电动车由正极和负极两根线充电，这意味着大电流充电。可以在5分钟、10分钟、20分钟充电后连续行驶300、600、2000公里。对于充电站建设，钟馨稼赞同NEDO丸山阳一提出的观点，即采用能够削峰填谷的储能充电站。他表示，除自身已拥有2座这类充电站外，美国、意大利、英国也都在用雷天的储能充电站。

不过，美国能源部的James A.Barnes博士对稀土锂电池的实际商用性能持保留态度。他认为，快速充电五分钟后能行驶300公里，这相当于每公里200瓦，对电网、动力传送系统及电池都是一个很大的挑战。尽管这个技术非常先进，在理论上行得通，但并不代表在实际中可以行得通。锂钛氧化物材料

珠海银通的薛嘉渔指出了动力电池开发现在面临五个主要问题，第一是安全，第二是一致性，第三是高速率充电能力，第四是生命周期，第五是一致性量产质量。

下一代电池的新材料锂钛氧化物（LTO）可以解决动力电池组一致性量产质量的问题。这是因为LTO的材料具有下述优势：安全性，其电化潜能是1.5V，超过锂，所以没有锂的危险性高，在充电时膨胀小；循环周期为25000次，是传统锂电池的10倍（见图12）；拥有专利的环形电池设计（见图13），具有很好的散热功能及高、低温特性，即使在-30℃低温下仍可充到40%的电量。高倍率充放电特性如图14所示。不过，LTO的能量密度比较小，约为传统锂电池能量密度的50～60%。



图12 珠海银通LTO动力电池循环周期



图13 珠海银通拥有专利的环形电池设计



图14 珠海银通LTO动力电池高倍率充放电特性

珠海银通表示会在中国成立一个制造基地生产LTO。因为LTO目前生产成本非常高，行业很难投入使用。在中国规模生产之后，成本肯定会降低。

薛嘉渔也提出了家庭能源存储系统（FES）计划，把太阳能板和风能等可再生能源产生的电能存储在家庭能源存储系统中，为动力电池供电。看来，可再生能源储能充电系统是中外厂商在EVS25上形成的共识。

Ener1公司纯电动车和混合动力车电池的正负极材料分别采用了LMO、硬炭（HC ）和LTO等，基于硬炭/氧化物的纯电动车电池的功率密度在2500W/kg以上，插电式混合动力车电池的功率密度在4000W/kg以上。HC/LMO和LTO/LMO材料电池的放电特性如图15所示。



图15 Ener1公司HCLMO和LTOLMO材料电池的放电特性

Ener1首席技术官太田直树表示，LTO材料能量密度比较低，不过散热性和安全性好，所以适于混合电动车电池。在解决了高压问题后，就可充分利用其高压性能，能量密度也可提升。