新能源汽車及其電池的發展簡介
一、混合動力車
2006年,混合動力車的市場份額占日本全部新能源汽車銷量的94.2%。
美國2001—2007年混合動力汽車銷售數據來看,其復合增長率達到58.4%,處于高速增長期。奧巴馬就任后宣布,到2015年,美國混合動力汽車的保有量將超過100萬輛。
萬鋼:“到2012年,國內有10%新生產的汽車將是節能與新能源汽車。”照此推算,2008年中國汽車產量約為930萬輛,即使2012年產量增至1000萬輛,新能源汽車也將達到年產100萬輛的規模。按每輛混合動力轎車電池成本5萬元,正極磷酸鐵鋰材料50公斤,負極材料40公斤,電解液40公斤計算。100萬輛混合動力汽車將帶動5萬噸正極材料,4萬噸負極材料,4萬噸電解液的需求。而如果按客車計算,這一數值還將提高3倍——每輛混合動力客車的電池需求是轎車的4倍。目前,中國汽車保有量已達到6289.3萬輛,如果未來每年有10%的車輛更換動力電池,又將創造出一個更具想象空間的市場。
科技部“十城千輛”計劃最直接的受益者之一莫過于福田汽車的歐V客車,其與北京公交集團簽訂了800輛混合動力客車整車及底盤的采購協議,這也是迄今國內數量最大的一筆新能源汽車采購訂單。
福田集團北京客車分公司副總經理劉國強透露,目前福田混合動力客車已形成了2000臺/年的整車加底盤的產能,占歐V客車總產能的四成,2009年產量預計為1200臺。“2009年客車計劃總銷量3950臺,混合動力客車將占到近30%。”劉國強表示,現階段新能源客車的推廣一定要有政府支持。“車輛運營企業購買混合動力客車仍有顧慮,如能否通過節能收回額外投資?能否維持運營等?”歐V普通客車約為40萬元/輛,而混合動力客車為90萬元/輛,純電動客車則為150萬元/輛,政府此次對混合動力客車的補貼為25-30萬元/輛。按此標準,車輛運營企業購買混合動力客車至少要比普通客車多付出20萬元。
在電機制造環節上,中國南車下屬的南車株洲電力機車研究所有限公司的技術最成熟,“發源于動車組的技術,比較可靠,大部分汽車廠商在關鍵部件選購上都用其產品。”在電池采購上,福田的歐V客車目前采用的是日本日立車輛能源公司的錳鋰電池。
二、電池
雖然鎳氫電池由于技術成熟度和成本上的優勢,在短期內仍將是混合動力汽車的首選動力,但由于其比能量低和記憶效應的缺點,在成本問題解決后,鋰電池將成為純電動汽車和插電式混合動力汽車的主要動力選擇。
鋰電池成本之所以高于鎳氫電池,主要原因就在于其正極材料使用的是以貴金屬鈷為原料的鈷酸鋰,錳酸鋰和磷酸鐵鋰由于成本優勢更為明顯,正逐步成為鋰電池的主要發展方向。也即,鋰電池之戰主要在錳酸鋰與磷酸鐵鋰之間展開。
磷酸鐵鋰的成本也要低于錳酸鋰。但其致命弱點則是“導電性”不好,目前解決這一問題的主流技術有用導電碳包覆顆粒、用金屬氧化物包覆顆粒、用納米制程讓顆粒微粒化等。若該問題得到有效解決,磷酸鐵鋰的巨大優勢將促其成為車用電池的首選材料。
目前,國內在錳鋰電池生產領域,中信國安下屬子公司盟固利研發的動力錳鋰電池,已通過國家安全檢測,并經過兩三年示范運行,成為配套2008年北京奧運會電動汽車的唯一電池。
磷酸鐵鋰電池方面,除比亞迪外,比克電池也有生產。此外,咸陽偏轉控股子公司咸陽威力克技術也相對成熟,但缺乏資金批量生產。
在錳鋰電池中,二氧化錳比較活躍,高溫狀態下氧化為四氧化三錳,過程中有可能存在安全隱患。
但是,錳鋰電池對溫度環境要求較高,55攝氏度以上就不能工作了,需要用空調系統冷卻。值得欣慰的是,在廣東行駛的30輛混合動力客車,并沒有出問題。
目前國內車用鋰電池組裝技術并不成熟,關鍵問題是沒有成熟的電源管理系統,如果一節單體電池燒毀,整個電池組都有燒毀的危險。目前看來,解決這一問題是解決中國汽車鋰動力電池產業化發展的重中之重。據介紹,福田歐V混合動力客車的鋰電池電源管理的關鍵技術是由美國易登公司提供。
車載動力電池的成本占混合動力汽車總成本的30%-50%,是產業鏈中利潤最豐厚的環節,但目前國內能夠真正工業化生產汽車動力電池的廠家幾乎沒有。
國內呼聲最高的比亞迪公司聲稱,該公司 2015年實現汽車產銷量中國第一、2025年全球第一。王傳福表示,2020年將是電動車的天下,比亞迪掌握了電動車的核心技術。
如果世界原油價格繼續下跌,原油進口成本降到20美元附近,汽油價格估計也要2元/升左右,加上0.8元的稅,實際成本要2.8-3元/升,即便未來汽車百公里耗油量達到5升,成本也要15元以上。而目前電動汽車百公里耗電量是16度,按照每度電0.7元計算,成本不過10元。
這并沒有考慮電池成本。但由于鋰電池技術的進步,電池組循環壽命已超過1000次,每千瓦時電池的成本低于3000元。鋰電汽車在10年內用電成本約為1萬元。傳統燃油車在10年內的加油費用至少8萬元。即使10年內更換一次電池,使用成本多花7.2萬元,總共8.2萬元。兩種車的使用成本基本相同。
三、電池材料
1、磷酸鐵鋰
???? 2000年左右,有機構發現在磷酸鐵鋰表面包裹一層碳后可以改善導電性。2002年,麻省理工學院的幾個教授發現在鋰的位置上摻雜高價位元素,可以大幅度提高電導率,基本與鈷酸鋰和錳酸鋰相當。美國的A123公司便是建立在此合成技術專利基礎之上。
此外,美國Valence公司提出了三價鐵碳熱還原合成磷酸鐵鋰的方式。
中國磷酸鐵鋰的合成方式也不同,如比亞迪磷酸鐵鋰電池正極材料的供應商天津斯特蘭公司,磷酸鐵鋰正極材料是由碳酸鋰、磷酸二氫氨、草酸亞鐵合成。其路徑是不摻雜高價位元素,而是將鋰減少,留出鋰的空位,進一步提高了導電性。
斯特蘭曾就專利的使用問題與國外機構多次磋商,其總經理段鎮忠介紹,“從目前談判的情況看,我們磷酸鐵鋰的合成技術不侵權,從化學上來說,只要磷酸鐵鋰的分子式一公開,有化學常識的人都可以去合成。所謂侵權是指使用磷酸鐵鋰作為電池材料。”據介紹,現在國際上專利權的訴訟點是,“將磷酸鐵鋰材料用在電池生產上”。從2000年開始,圍繞這一專利問題,有好幾個官司在訴訟。
全球磷酸鐵鋰電池正極材料的主要生產廠商來自于美國的Valence、A123和天津斯特蘭。兩家美國公司合計產能在1000噸左右,生產基地都在中國,但都不對國內客戶提供電池材料。
2008年,斯特蘭將具備2000噸/年的產能,成為全球第一的磷酸鐵鋰電池正極材料供應商。同時計劃在2010年將產能擴張到4000噸/年。
此外,煙臺卓能、北京鋰先鋒、蘇州恒正、北大先行、合肥國軒、深圳貝特瑞、新鄉華鑫、新鄉創佳等公司都在從事磷酸鐵鋰材料的生產,但產能難與斯特蘭相比。
段鎮忠介紹,2007年全球磷酸鐵鋰正極材料的需求只有700噸,2008年增長到1800噸。從新能源汽車發展帶動的增量上來看,每輛混合動力轎車需用磷酸鐵鋰正極材料50-100公斤,純電動轎車和混合動力客車需用磷酸鐵鋰材料200公斤左右。一輛電動自行車的磷酸鐵鋰用量是1公斤,按2008年2000萬輛的銷量計算,如果鉛酸電池全部被磷酸鐵鋰電池替代,則磷酸鐵鋰材料需求每年將增加兩萬噸。段鎮忠認為,未來磷酸鐵鋰最大的需求會來自于太陽能、風力、水力的大型儲能設施,“要比電動自行車、電動汽車的用量大多了,而目前還在用鉛酸電池。”
2010年國內混合動力汽車產業化的初期,磷酸鐵鋰的年需求量將超過1.5萬噸。而根據A123的預測,到2010年,全球磷酸鐵鋰的供給缺口將達到10萬噸,嚴重供應短缺。
2、負極材料
與正極材料相比,負極材料占鋰電池成本比重較低,而且國內已經實現產業化,行業前三甲企業是深圳貝特瑞、上海杉杉、長沙海容,基本能夠滿足國內市場的需求。
深圳貝特瑞是國內鋰電池碳負極材料標準制定者。其碳負極材料產能是6000噸/年,價格為6萬元/噸左右,市場占有率高達80%,居全球第二。客戶包括松下、日立、三星、TCL、比亞迪等130多家廠商。2008年,貝特瑞收購了天津鐵誠公司,使其碳負極材料成本下降30%。
杉杉股份是貝特瑞的一大競爭對手。杉杉股份在1999年開始涉足電池負極材料時采用CMS(中間相炭微球)技術,之后為降低成本轉用人工石墨和天然石墨,此后,因為電池循環放電次數不高,又回到了CMS的技術上。目前,杉杉股份的CMS價格每噸在10萬元以上,年產能為1200噸。
3、電解液
除杉杉股份外,國內主要生產電解液的企業還有華榮化工、珠海賽緯電子、天津金牛、汕頭金光、廣州天賜。
華榮化工、珠海賽緯電子定位高端市場,其他企業只能做中低端市場。
電解液主要原材料為六氟磷酸鋰,占電解液成本的50%左右,其生產成本為10萬元/噸,售價為40萬元/噸,毛利率高達75%,國內卻沒有企業能夠生產。目前市場被關東電化學工業、SUTERAKEMIFA、森田化學等幾家日本企業壟斷。
江蘇國泰控股子公司華榮化工是全國最大的鋰電池電解液生產商。據華榮化工董事長蔣德生介紹,2008年實際產量3000噸,是第二名的兩倍。到2010年產能達到5000噸/年,有可能成為全球最大的生產企業。
鋰電池對電解液要求比較高,但目前用量卻很少。比如一塊手機電池只用3克,比重很小,2000噸電解液可供生產6億塊手機電池。汽車動力電池可就不一樣了,一輛車就要40公斤。
4、碳酸鋰
磷酸鐵鋰中的鋰含量約為4.4%,碳酸鋰中的鋰含量為18.9%,以此推算生產1噸磷酸鐵鋰所需的碳酸鋰為0.23噸。相對于政府規劃,假設車載電池全部為磷酸鐵鋰電池,2012年磷酸鐵鋰需求達到5萬噸,則需要碳酸鋰1.15萬噸,加上其他行業,總需求不超過3萬噸,相對于國內產能,該行業在2012年之前都是過剩的。
國內碳酸鋰資源目前主要被中信國安、西藏礦業掌控,但這兩家企業只限于工業級碳酸鋰,電池級碳酸鋰則由天齊鋰業、尼科國潤供應,其中天齊鋰業技術最成熟,是行業標準制定者,約占國內60%的市場份額。斯特蘭的碳酸鋰原料便來自電池級碳酸鋰廠商。
5.隔膜材料
隔膜是鋰電材料中技術壁壘最高的一種高附加值材料,毛利率維持在70%以上,占鋰電池成本的20%-30%。隔膜價格居高不下,也是影響鋰電池應用的重要原因之一。國內能生產隔膜的企業僅有星源科技、金輝高科兩家技術相對成熟,市場供應量嚴重不足,大部分依賴進口,市場主要被日本旭化成工業、東燃化學,及美國Celgard把持。隔膜具有典型的“高技術、高資本”特點,而且項目周期很長,投資風險較大,國內企業的投資熱情并不高。