你不知道的電動(dòng)車電池那些事兒

根據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，全球電動(dòng)汽車銷量從2018年的200萬輛上漲至2022年的1，000多萬輛，市場(chǎng)份額從2.5%漲至14%，隨著全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)了動(dòng)力電池市場(chǎng)的發(fā)展，全球電動(dòng)汽車電池裝機(jī)量從2017年的59 GWh大幅增長(zhǎng)至2022年的518 GWh，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)54%。

全球電氣化大勢(shì)所趨，彭博新能源財(cái)經(jīng)（BloombergNEF）預(yù)計(jì)2023年全球電動(dòng)汽車銷量預(yù)計(jì)將再創(chuàng)新高，達(dá)到1360萬輛。SNE Research則預(yù)計(jì)2023年全球電動(dòng)汽車電池市場(chǎng)將從2022年的518 GWh增長(zhǎng)至約749 GWh，再創(chuàng)歷史新高。

按照電池結(jié)構(gòu)以及作用原理動(dòng)力電池可以分為蓄電池和燃料電池。

一、動(dòng)力電池

動(dòng)力蓄電池包括：鋰離子動(dòng)力蓄電池、金屬氫化物鎳動(dòng)力蓄電池和超級(jí)電容器，不包括鉛酸類蓄電池

經(jīng)過技術(shù)發(fā)展以及企業(yè)出于對(duì)成本的考慮，汽車動(dòng)力電池中鉛酸蓄電池已經(jīng)被淘汰，目前主流車企以鋰電池為主，少數(shù)車企使用鎳氫電池，例如豐田。

鋰電池的優(yōu)勢(shì)：

1、量密度高：具有相同容量的鋰離子電池重量?jī)H為鎳氫、鎳鎘電池的一半，具有相同容量的鋰離子電池體積要比鎳鎘電池體積小40%-50%，比鎳氫電池體積小20%-30% 2、無污染：不含鉛、鎘等對(duì)環(huán)境造成污染的物質(zhì)

3、無記憶效應(yīng)：充電前無需放電

4、使用壽命長(zhǎng)：循環(huán)壽命次數(shù)超過500次

5、電壓高：?jiǎn)纹囯x子電池電壓為3.6V，相當(dāng)于3支鎳鎘、鎳氫電池串聯(lián)，

6、自放電效應(yīng)?。菏覝叵鲁錆M電的鋰離子電池儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。是繼鎳氫電池之后最受研發(fā)機(jī)構(gòu)和汽車廠商青睞的車載電池。

鋰離子電池缺點(diǎn)：安全性差、成本高等

鋰離子電池=正極+隔膜+負(fù)極+電解液+外殼

正極=活性物質(zhì)（Li(Me)O₂）+導(dǎo)電劑（超導(dǎo)碳黑）+粘合劑（PVDF）+集流體

負(fù)極=活性物質(zhì)（石墨、Si、Sn合金）+導(dǎo)電劑（超導(dǎo)碳黑）+增稠劑（CMC：羧甲基纖維素鈉）+粘結(jié)劑（SBR：丁苯橡膠膠乳）+集流體

隔膜是具有一定孔隙率且電子絕緣的微孔薄膜，用于分離電池正負(fù)極，避免正負(fù)極接觸而發(fā)生短路，主要材料有聚乙烯、聚丙烯。

電解液一般是由非水有機(jī)溶劑、鋰鹽以及部分添加劑組成，用于在電池內(nèi)部正負(fù)極之間建立良好的離子導(dǎo)電通道，目前常用的有機(jī)溶劑是碳酸乙烯酯，鋰鹽主要是LiPF₆。

添加劑按功能可以分為阻燃添加劑、成膜添加劑等，常用材料包括磷酸三甲酯、碳酸亞乙烯酯等。

外殼主要是由鋁、鋁塑膜、不銹鋼等材料構(gòu)成。

鋰離子充電時(shí)，位于陰極的鋰的金屬氧化物L(fēng)i（Me）O₂失去鋰離子和等量電子，而陽極則得到電子和鋰離子形成鋰原子。放電時(shí)，陽極的鋰原子分解成鋰離子和電子再分別由原路返回陰極。在實(shí)際情況中，由于電子的傳導(dǎo)速度接近光速，當(dāng)電子到達(dá)電極時(shí)，鋰離子在電解液中并不能瞬間達(dá)到，實(shí)際跟隨電子到達(dá)電極的是電解液中原本存在的鋰離子，電解液含有鋰鹽，由于電解液總是保持電中性，維持陰陽離子平衡，當(dāng)一個(gè)鋰離子進(jìn)入電解液時(shí)，另一個(gè)鋰離子就會(huì)離開。

集流體是是正負(fù)極材料的載體，即匯集電流的結(jié)構(gòu)或零件，不僅可以承載活性物質(zhì)，還可以將電極活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集并輸出。

集流體特性：電導(dǎo)率高，化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、與電極活性物質(zhì)的兼容性和結(jié)合力好，廉價(jià)易得，質(zhì)量輕。故金屬通常被作為集流體材料，目前應(yīng)用廣泛的銅和鋁，銅由于在較高點(diǎn)位易被氧化所以通常用作石墨、硅、錫以及鈷錫合金等負(fù)極活性物質(zhì)的集流體（Anode）。常見的有銅箔集流體、泡沫銅集流體以及三維銅納米線集流體。

目前隨著市場(chǎng)越來越追求更高的能量密度與更低的成本，銅箔輕薄化大勢(shì)所趨，從技術(shù)角度上講，鋰電銅箔越薄，電阻則更小，同時(shí)相應(yīng)電池的重量也將減輕，從而提高能量密度以及降低成本。

從近幾年的鋰電銅箔產(chǎn)量來看，6μm及以下產(chǎn)量占比逐漸提升，2020年占鋰電銅箔總產(chǎn)量的37%，從近幾年的企業(yè)動(dòng)作來看，輕薄化已經(jīng)成為發(fā)展的明確方向，寧德時(shí)代6μm銅箔應(yīng)用比例已超過90%，且正加速4.5μm銅箔的導(dǎo)入應(yīng)用，從2021年的月度用量500~1000噸，且采購量仍在不斷提高。

鋰電銅箔輕量化勢(shì)必會(huì)造成銅用量的減少，根據(jù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于一個(gè)容量為50kWh的鋰離子電池來說，8μm、6μm、4.5μm對(duì)應(yīng)的鋰電池能量密度分別為156.63 Wh/kg ? ，161.89 Wh/kg，? 165.6 Wh/kg，銅箔用量分別為41.5kg、31.13kg、24.21kg，可以看到用量（相較8μm）分別下降了25%和42%。按照銅價(jià)6.5萬元/噸，銅箔加工費(fèi)分別為3.5萬/噸、4.5萬/噸和7.5萬/噸來測(cè)算，每輛新能源汽車的銅箔成本分別為4150元/噸、3424.3元/噸、3389.4元/噸，成本下降（相較8μm）分別為17.5%和18.3%。

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金田銅帶公司為寧波金田銅業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司銅板帶材生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)主體，成立于2005年，擁有生產(chǎn)車間約12萬平方米，固定資產(chǎn)超過10億元。 經(jīng)10多年的發(fā)展與沉淀，公司已成為國(guó)內(nèi)先進(jìn)的銅板帶材加工制造基地，專注于各種高精度銅板帶材的研發(fā)與生產(chǎn)，位列中國(guó)銅板帶材企業(yè)第5名。公司產(chǎn)品有各種高精度錫磷青銅帶、紫銅帶、黃銅帶、引線框架銅帶、銅鎳硅銅帶和鋅白銅帶，符合歐盟ROHS指令要求，主要應(yīng)用于電子、電氣、通訊、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械五金、建筑和家電等行業(yè)，暢銷國(guó)內(nèi)各省市，遠(yuǎn)銷韓國(guó)、日本、香港、以及東南亞等國(guó)家和地區(qū)，已與公牛集團(tuán)、美的集團(tuán)、歐普照明等多家知名企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系。

二、燃料電池

燃料電池是一種清潔、高效、可靠、安靜的能源，其通過電化學(xué)反應(yīng)把氫、氧燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的電池，和傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是，反應(yīng)產(chǎn)物只有水，同時(shí)產(chǎn)生電和熱。燃料電池理論上來說并不是電池，而是一種發(fā)動(dòng)機(jī)。電池是一種儲(chǔ)能裝置，燃料電池并不儲(chǔ)能而是通過“燃燒”氫氣將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，原理上講相當(dāng)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。

燃料電池工作原理是氫分子在陽極分解成質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。電子則被迫穿過電路生成電流和多余的熱量，之后二者在陰極與氧原子反應(yīng)生成水。每個(gè)電池通常產(chǎn)生 0.6~0.7V，通過串聯(lián)多個(gè)電池，可以生產(chǎn)具有所需電壓的燃料電池組。（豐田Mirai（2022款）燃料電池堆裝載330片電池片）

燃料電池優(yōu)點(diǎn)：能量密度高，環(huán)境適應(yīng)性廣等

缺點(diǎn)：成本高，其成本從每輛車對(duì)于電池能力要求的生產(chǎn)再到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都是鋰電池的幾倍甚至幾十倍。

燃料電池=質(zhì)子交換膜+催化劑+氣體擴(kuò)散層+雙極板。

催化劑由納米級(jí)Pt顆粒以及大比表面積活性碳構(gòu)成，由于含有貴金屬Pt，催化劑在燃料電池中的成本占比最高，對(duì)于年產(chǎn)能1萬套的生產(chǎn)線來說成本在50%左右。中國(guó)工程院院士衣寶廉在中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2019）中提到國(guó)際上燃料電池Pt用量在0.2g/kW，國(guó)內(nèi)則達(dá)到了0.4g/kW。如果按照每輛汽車燃料電池功率120kW計(jì)算，單車用量在24~48g，1g Pt大約200元，則單車僅金屬Pt成本就7000元左右。質(zhì)子交換膜主要功能是迫使電子走外電路到達(dá)陰極，并阻止氫分子、水分子等通過，同時(shí)運(yùn)輸氫離子（質(zhì)子）至陰極與電子反應(yīng)構(gòu)成回路，質(zhì)子交換膜需要有高質(zhì)子交換率，低電子導(dǎo)電率和氣體滲透性，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好等特性，對(duì)燃料電池的性能起著非常重要的作用，目前主流材料是全氟磺酸型膜。氣體擴(kuò)散層主要是為參與反應(yīng)的氣體和生成的水提供傳輸通道，并支撐催化劑，通常由碳布 /碳網(wǎng)和防水劑聚四氟乙烯構(gòu)成，具備抗腐蝕，多孔透氣，高導(dǎo)電性以及高疏水性等特點(diǎn)，其成本占電堆4%左右。

雙極板因其具有的有良好的導(dǎo)電性，適宜的親、疏水性，阻氣性以及抗腐蝕性等，在燃料電池中主要有以下幾個(gè)作用：

①輸送和分配燃料

②隔離氫氣和氧氣

③連接兩節(jié)相鄰單電池。

石墨雙極板主要材料就是石墨，金屬雙極板通常選用鈦合金或不銹鋼，復(fù)合雙極板可以分為非金屬基和金屬基，非金屬基主要應(yīng)用材料包括樹脂、碳纖維等，金屬基則是用合金板作為隔板，碳基材料作為流場(chǎng)，結(jié)合了金屬板與碳基板的優(yōu)點(diǎn)。

燃料電池堆是由燃料電池單體易串聯(lián)的方式層疊組合而成，雙極板與膜電極MEA（質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層）交替疊加，同時(shí)嵌入密封件，并在兩端置入集流板以及絕緣板，再經(jīng)前后端板壓緊后用螺栓緊固。從結(jié)構(gòu)以及材料上看，燃料電池中最有可能用到銅的地方就是集流器，集流器常用材料包括銅、鎳、鍍金的金屬板。根據(jù)Strategic Analysis Inc.在2018年對(duì)豐田Mirai（2017款）燃料電池堆進(jìn)行的DFMA成本測(cè)算來看，集流器成本為7美元，按照當(dāng)年LME銅均價(jià)6500美元/噸計(jì)算，估計(jì)用銅量為1.08kg，Mirai（2017款）燃料電池功率為114kW，從燃料電池堆組裝結(jié)構(gòu)看，增加功率只需疊加單片電池即可，當(dāng)功率變化不大時(shí)，可以假設(shè)對(duì)于集流器銅用量影響不大。

燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料電池堆、升壓轉(zhuǎn)換器、動(dòng)力電池、高壓氫氣罐、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力控制單元、輔助部件等組成。升壓轉(zhuǎn)換器可以將不到300V的電壓升至650V，這是由于燃料電池單片電壓較低，通過引入升壓轉(zhuǎn)換器可以減少燃料電池片堆疊數(shù)量，控制燃料電池堆的體積和質(zhì)量。動(dòng)力電池常為鋰電池，容量較小，一般在1~2kWh之間，動(dòng)力電池的作用有兩個(gè)，一個(gè)是在制動(dòng)減速時(shí)可以回收能量，另一個(gè)是需要大功率輸出時(shí)配合燃料電池共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)。儲(chǔ)氫罐類似油箱，儲(chǔ)存氫氣作為燃料，通常工作壓力在70Mpa左右，可以儲(chǔ)存約5~6kg左右的燃料，氫氣的能量密度為33.6kWh/kg，是鋰離子電池材料的10倍以上，燃料電池作為開放系統(tǒng)，其能量密度的實(shí)質(zhì)上取決于儲(chǔ)氫量，未來在儲(chǔ)氫技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，燃料電池的能量密度相比鋰電池有更大的提升空間。

目前全球市場(chǎng)上燃料電池乘用車商業(yè)化應(yīng)用尚處在起步階段，主流上市車型包括豐田Mirai、現(xiàn)代Nexo以及本田Clarity Fuel Cell（本田于2021年6月15日宣布暫停生產(chǎn)），此外還有梅賽德斯奔馳僅租賃給特定用戶的GLC f-Cell。2021年全球主要國(guó)家燃料電池汽車銷量達(dá)16313輛，同比2020年增長(zhǎng)68%，其中韓國(guó)銷量8498輛占比52%。從全球燃料電池汽車保有量結(jié)構(gòu)來看主要以乘用車為主，占全球FCEVs的82%。中國(guó)與全球結(jié)構(gòu)不同，主要以商用車為主，根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)燃料電池汽車銷量1556輛，其中商用車占比99.4%。

金田銅業(yè)是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的新能源汽車行業(yè)銅材供應(yīng)商，生產(chǎn)銅棒、銅帶、銅排、銅線、電磁線、磁鋼等產(chǎn)品，可為客戶提供一站式采購服務(wù)，歡迎來電咨詢：0574-83005999。