电动车热潮也拉动了动力电池市场的增长？技术难以提升谁能取代锂电池？

5月5日，科技部部长万钢在中国电动汽车百人会上强调，国家将坚持发展电动汽车的“四不变”政策，鼓励国内电动汽车厂商积极推动我国新能源汽车产业的快速发展。

电动车热潮也进一步拉动了动力电池市场的增长。据了解，国内主要电池生产商都在积极的扩充产能，研发新品，希望在这一轮新的市场浪潮中“弯道超车”。而作为行业领头羊的天能集团，更是走在了最前列。“天能的锂电池业务已经实现了连续六年增长，我们接下来会继续加大研发投入，进一步提升电池技术，降低成本，推动我国电动汽车产业的发展，”面对未来，董事长张天任满怀信心。

电动汽车热潮汹涌，锂电池寻求破局之道

得益于国家政策的指引，我国电动汽车产业近年来发展迅速，诞生了以比亚迪、奇瑞等为代表的一大批电动汽车厂商，产量急速上升。据统计，2013年我国新能源汽车产量1.75万辆，同比增长39.7%，其中纯电动汽车1.42万辆;新能源汽车销售1.76万辆，同比增长37.9%，其中纯电动汽车销售1.46万辆。

而在大力提升产能的同时，国家也在着手规范电动汽车产业。目前，科技部正在加紧完善电动车辆标准体系建设，未来1-2年内将有100多项涉及行业和生产的标准制定推行。工信部也在推动互联网通讯技术和汽车行业的融合应用，寻求产业突破与创新。

电动汽车热潮也刺激了动力锂电池市场的增长，有数据显示，2013-2018年中国动力锂电池产业将保持26%的年复合增长率。尽管市场前景看好，但我国锂电池技术由于起步较晚，某些核心技术仍然与国际先进水平有一定差距。因此，当务之急，并不是盲目扩充产能，而是潜心科研，完成技术积累，突破技术瓶颈，以带动整个产业的腾飞。

事实上，现在如日中天的特斯拉，其动力电池技术在电池圈一直是褒贬不一。特斯拉采用的是松下公司生产的18650电池，其动力电池包由7000颗小电池组成，这样做既是出于降低更换成本的考虑，也是钴酸锂电池热稳定性差，无法做大的现实原因。“特斯拉的核心技术是电控系统，对电池包的管理研究多时，单论电池的性能，其使用的镍钴铝三元材料锂电池与我们使用的磷酸铁锂电池各有优劣，”从事锂电池研究多年的天能集团副总裁周建中这样评价道。

周建中解释说，特斯拉采用镍钴铝三元材料作为电池正极材料，属于钴酸锂电池。这种电池的优势在于能量密度高，成本较低，但缺点是在高温下极不稳定。正是因为考虑到这一点，天能集团在选择自己的锂电池技术路线时，特意选择磷酸铁锂作为企业的技术发展方向。尽管磷酸铁锂的电池能量密度比钴酸锂电池略低，但性能稳定，大功率放电好，而且循环寿命是后者的3-4倍，更经济环保。目前，天能研发生产的磷酸铁锂电池充电倍率、放电倍率、加速性能、充电时间、安全性能等领域表现优异，尤其在零下20度的低温下放出能量达到80%以上，远超60%的国家标准。

为迎接新一轮的产业发展高潮，天能将产业重点放在了电池技术的储备上，依托国家企业技术中心、国家级博士后科研工作站和企业院士专家工作站等多个科技创新平台，投入巨资进行技术研发，建立完整的科技研发体系。据悉，仅在2013年，天能在电动汽车动力电池项目上的研发投入就增长了21%。

低速电动车一骑绝尘，超级电池功不可没

与电动汽车情况截然不同的是，低速电动车产业对特斯拉的呼啸而至反应平淡，甚至有些不以为然。“我们与特斯拉并不是竞争关系，他们定位的是高端人群，而低速电动车为城乡居民的日常出行而生，彼此的目标客户群不同，特斯拉的到来并不会影响我们的市场，”一位低速电动车企业老总这样点评道。

尽管与国家的各种补贴政策无缘，也未能被纳入国家新能源汽车产品名录，甚至连工信部的一纸“准生证”也没有，但低速电动车却在逆境中野蛮生长，销售数量与销售增速远超高速电动车。据统计，仅在2013年，我国低速电动车的销售就达35万辆，今年更是有望增至50万辆，低速电动车的市场保有量高达100万辆。当大多数电动汽车厂商还在靠国家高额补贴维持运营的时候，以时风、唐骏、雷丁等为代表的一大批低速电动车厂商却早已挣的盆满钵满，甚至出口欧洲创汇。

而低速电动车的成功，同样离不开来自动力电池产业的支持。基于成本控制和电池稳定性等原因，低速电动车大多采用铅蓄电池作为动力源，但铅蓄电池比能量低的缺点一直是困扰行业发展的痛点。研发出高性能的“超级电池”，提升低速电动车续航里程等核心技术指标，成为低速电动车产业界最大的渴望。

作为国内动力电池的领导企业，天能集团早在2009年就与哈工大合作研发铅碳“超级电池”，并于去年取得重大成果，成功解决了负极析氢、碳材料选型、合膏新工艺等核心技术难题。2013年10月，这款电池通过工信部验收，正式装机使用。

与常规动力电池相比，天能的这款铅碳“超级电池”产品性能获得了极大提升。电池充电时间缩短为3小时，最快1小时充满电，满电续航里程提升到200公里以上，更重要的是，电池使用寿命大大延长，其循环充放电耐久能力更是高达10万次以上。“这个使用寿命，应用到电动汽车上，一组电池至少可跑10万公里。”天能铅碳电池项目负责人陈飞介绍说。

出色的产品性能和先进的产品技术，使天能的铅碳“超级电池”备受厂家青睐。目前，天能集团已就铅碳“超级电池”项目与时风、奇瑞、中辆等国内多家汽车制造企业达成产业化合作意向。在今年4月淄博举行的小型纯电动汽车创新论坛上，经销商们也纷纷提出了采购需求。

随着我国动力电池产业技术的不断提升，以及新能源电动汽车产业的迅猛发展，我国动力电池市场将迎来新一轮的发展机遇，天能集团在提升生产规模的同时，更注重发展“内功”，完善科技研发体系，加大研发创新，为即将到来的新一轮新能源市场竞争占得先机。当今的移动世界离不开锂离子电池，这是目前可充电电池的最佳选择。去年，消费者们购买了50亿只锂离子电池，用来给笔记本电脑、照相机、手机和电动汽车供电。美国阿贡国家实验室能源存储联合研究中心（JCESR）的负责人乔治·克拉布特里（George Crabtree）说，“这是有史以来最好的电池技术”。不过，克拉布特里的目标远不止于此。

1991年，索尼公司推出第一款商业版锂离子电池，与之相比，如今锂离子电池的能量密度（单位质量所存储的能量）已经是原来的两倍多，而价格只有当初的1/10。不过，锂离子电池的能量密度已经接近极限。许多研究者认为，对锂离子电池的改进，最多还能将能量密度再提高30%。这意味着，锂离子电池永远不能像一油箱汽油那样，让电动汽车连续行驶800千米，也不能让“电老虎”般的智能手机续航许多天。

2012年，JCESR从美国能源部争取到1.2亿美元的资金，用于研究超越锂离子电池的技术,而亚洲、美洲和欧洲的许多研究团队和公司都在寻找取代并超越锂离子电池的新技术。

锂–硫电池

2013年初，化学工程师埃尔顿·凯恩斯（Elton Cairns）认为，自己研制出了一种新型化学电池，只有硬币大小。到2013年7月，他的电池已在美国劳伦斯伯克利国家实验室经历了1 500次充放电循环，而电池容量只损失了一半。这样的性能，基本可以媲美最好的锂离子电池了。凯恩斯的电池基于锂–硫（Li-S）技术，所使用的材料价格非常低廉，理论上的能量密度是锂离子电池的5倍多。

锂–硫电池的主要优势之一，在于减掉了锂离子电池的“无效体重”。在一块典型的锂离子电池中，多层石墨电极占据了大量体积，而这些电极基本上只是用来吸附锂离子。这些锂离子经由电解液，流到多层金属氧化物电极。和所有电池一样，电子必须通过外部电路流动，来平衡正负电荷，从而产生了电流。要想给电池充电，则须通过外加电压来反转电子流动，这同时也会让锂离子回到石墨电极上。

在锂–硫电池中，一块纯金属锂片代替了多层石墨电极。这块锂片既是电极，也是锂离子的来源。电池放电时，锂片变薄；电池充电时，它又恢复原状。金属氧化物电极也被更廉价、更轻的硫所取代。硫吸附锂的能力更强，每个硫原子可以结合两个锂原子，而在锂离子电池中，结合一个锂原子就需要不止一个金属原子。所有这一切使得锂–硫电池在成本和重量两方面都具有明显优势。

一些研究者质疑，学术界的认同未必能转换成商业上的成功。在实验室，研究人员通常使用少量硫和大量电解液，这样比较易于研究，但不能制成高能量密度的电池。在PolyPlus公司（一家制造电池的公司，位于凯恩斯实验室以西5千米的地方）研究锂–硫电池超过20年的史蒂夫·维斯科（Steve Visco）说，增加硫和减少电解液会使电池更容易坏掉，要想以低廉的成本制造出能经受住一年四季温度考验的商品化电池相当困难。

至少有一家公司——英国Oxis能源公司——看好锂–硫电池的前景。该公司声称，它们已经制造出可以充放电900次的大型锂–硫电池，能量密度与当前的锂离子电池不相上下。Oxis能源公司正在与美国Lotus工程公司合作，他们希望在2016年前开发出可用于电动汽车的电池，能量密度将达到400 Wh/kg。

镁电池

作为世界上最轻的金属，锂拥有巨大的重量优势。但一些研究者认为，下一代电池应该使用更重的元素，比如镁。每个锂离子只能携带一个电荷，而二价的镁离子能携带两个电荷，这意味着可以释放的电能提高了一倍。不过，镁也有自己的问题。锂离子能轻松通过电解液和电极，而携带两个电荷的镁离子移动速度缓慢，就像是在黏稠的糖浆中穿行。

美国阿贡国家实验室的电池研究人员彼得·丘帕斯（Peter Chupas）正在与JCESR合作，他用高能X射线轰击各种电解液中的镁，来研究镁为什么会受到巨大的阻力。截至目前，他和同事发现，镁离子能强烈吸引周边溶液中的氧，从而吸引一大群溶剂分子，这使得镁离子变得沉重。

美国劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家克里斯廷·佩尔松（Kristin Persson）正在用超级计算机模拟潜在新型电池的内部结构，她正在试图从大约2 000种电解液中，找到一种更好的电极与电解液的组合，让镁离子可以更顺畅地通过电解液。

佩尔松和麻省理工学院的材料科学家赫布兰德·塞德（Gerbrand Ceder）成立了Pellion技术公司，来研发这种高容量镁电池。公司对其进展三缄其口，目前只发表了一篇关于电极的研究论文。2013年底公开的一大批专利表明，Pellion技术公司正在研发更开放的电极结构，帮助镁离子流动。包括丰田、LG、三星和日立在内的各大电子产品公司，都在研发类似的电池，但这些公司也都很少透露相关进展。

氧电池

温弗里德·维尔克（Winfried Wilcke）自称是“一个非常幸福的拥有特斯拉S电动汽车的车主”，他说，正是这辆电动汽车让他意识到电池研究是当务之急。

一开始，维尔克关注的是高能量密度电化学存储的理论极限——锂与氧气的氧化反应。与其他类型的电池相比，这种“会呼吸的”锂–氧电池有巨大的重量优势，因为其中一种主要反应原料——氧气，不必再装载到电池中。理论上，锂–氧（Li-O）电池的能量密度可以媲美汽油发动机，比现今电动汽车电池的能量密度高10多倍。

在驾驶着他的特斯拉S电动汽车行驶了22 000多千米之后，维尔克对这辆汽车的电池所提供的400千米的续航能力感到满意。他说，真正的问题是钱，电动汽车的电池成本在每千瓦时500美元以上，“电动汽车不被大众接受的真正原因，不是能量密度，而是价格”。所以，维尔克现在更看好一种基于钠的、更便宜的燃料电池。根据理论预测，钠–氧（Na-O）电池的能量密度是锂–氧电池的一半，不过，这已经比锂离子电池高出5倍了，而且，钠比锂更便宜。因此，维尔克满怀希望地说，钠–氧电池的成本或许可以接近每千瓦时100美元，这正是JCESR等研发机构认为消费者能够承担得起的价格。