鉅大LARGE | 點擊量：1258次 | 2018年11月21日
鋰電池的廣泛前景及發(fā)展障礙如何
1什么是鋰離子電池
鋰離子電池(LithiumIonBattery，縮寫為LIB)，又稱鋰電池。鋰電池分為液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物LiCoO2或LiMn2O4，負極采用鋰-碳層間化合物。
鋰電池是迄今所有商業(yè)化使用的二次化學電源中性能最為優(yōu)秀的電池，這也是促進鋰電池用于電動助力車的一個關(guān)鍵因素。主要的可以概括如下：
（1）比能量高：無論是體積比能量，還是重量比能量，鋰電池均比鉛酸蓄電池高出三倍以上。由此決定了鋰電池體積更小、重量更輕，其市場消費潛力很大；
（2）循環(huán)壽命長：鋰電池用于電動助力車的循環(huán)壽命一般在800次以上，采用磷酸鐵鋰正極材料的鋰電池可以達到2000次左右，超出鉛酸蓄電池1.5倍至5倍以上。這大大降低了鋰電池的使用成本，提高了消費者的使用便利程度；
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
（3）具有較寬的充電功率范圍：這是鋰電池具有的獨特優(yōu)勢。在需要時，可以1C～3C充電，使充電時間控制在20分鐘～1小時，充電效率達到85%以上。在進一步技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，這一特性得到更好的發(fā)揮，可以具有很好的商業(yè)價值；
（4）倍率放電性能好：鋰電池的倍率放電可以達到10倍率以上，特殊制作可以達到30倍率。這一特性非常有利于電動助力車的智能控制騎行技術(shù)的發(fā)展。只是目前對這一特性尚未有很好的開發(fā)與利用。
我國鋰離子電池產(chǎn)量全球第一，生產(chǎn)量占世界總量的三分之一以上，100多家鋰電生產(chǎn)企業(yè)對鋰離子電池材料需求殷切，不少廠商都計劃在今后兩年內(nèi)把產(chǎn)量大幅提高。目前，中國鋰電制造企業(yè)形成了液態(tài)鋰電以比亞迪為首，聚合物鋰電以TCL電池為首的兩大巨頭。TCL電池完成了聚合物鋰離子電芯從技術(shù)研發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn)的全過程，并且迅速走到了這項技術(shù)的最前沿。TCL生產(chǎn)的聚合物鋰電芯在電池電化學阻抗、能量密度、高低溫放電等方面均已躋身世界一流行列，比亞迪是液態(tài)鋰離子電池的老大，而TCL則是新一代聚合物鋰離子電池的老大，聚合物鋰電比液態(tài)鋰電具有優(yōu)勢。
2鋰電池的原材料
鋰離子電池由正負電極、電解質(zhì)、聚合物隔離膜及保護電路芯片組成，鋰電池的上游有正極材料、負極材料、隔膜、電解液、鋰資源等。其使用的材料見表1。
2.1正極材料
電池的發(fā)展史，正是一部材料科技的進步史。工藝的改進使電池量變，新材料的發(fā)明促使電池質(zhì)變?？梢灶A見的是，采用含有鋰元素的導體材料（離子化合物、聚合物）作為電極材料是高能電池的最佳選擇。
鋰電池根據(jù)正極材料不同，可分為磷酸鈷鋰、磷酸錳鋰、磷酸鐵鋰三種。磷酸鈷鋰由于鈷價高昂而被放棄；磷酸錳鋰相較于磷酸鐵鋰，在安全性和使用壽命方面不高；在可預見的將來，磷酸鐵鋰將成為鋰電池的主要正極材料。通用的Volt和比亞迪的F3DM都采用磷酸鐵鋰電池。隨著錳酸鋰和磷酸鐵鋰等極具發(fā)展前途的正極材料的技術(shù)進步，其在動力電池領(lǐng)域也開始了擴張的步伐。
貝特瑞公司是鋰電池碳負極材料和磷酸鐵鋰正極材料的龍頭。貝特瑞在國內(nèi)擁有40多項鋰電池正負極材料專利，2008年銷售額1.8個億，凈利潤3000萬，預計2009年全部銷售額4-5個億，2010年8-10個億，同比保持100%歷史增速。
2.2負極材料
目前業(yè)界對負極材料的研究相對較少，其實負極與正極對鋰離子電池具有同等的重要性。在正、負極材料的選擇上，正極材料必須選擇高電位的嵌鋰化合物，負極材料必須選擇低電位的嵌鋰化合物。
目前，開發(fā)和使用的鋰離子電池負極材料主要有石墨、軟碳(sOftCarbon)、硬碳(HardCaobon)等。在石墨中有天然石墨、人造石墨、石墨碳纖維。在軟碳中常見的有石油焦、針狀焦、碳纖維、中間相碳微球(MesocarbonMicrobends，縮寫MCMB)等。硬碳是指高分子聚合物的熱解碳。常見的有樹脂碳、有機聚合物熱解碳、碳黑等。
目前除石墨材料外，其他各類材料都還存在一些尚未解決的難題，目前還不能應用于LIB的生產(chǎn)。例如無序炭盡管放電容量很大，但不可逆容量也很大，而且電位滯后現(xiàn)象嚴重一一即Li?嵌入的電位接近0V而Li?脫出的電位接近1V，與無序炭類似。B-C-N系化合物和C-Si-O系化合物的放電曲線為——“斜坡”，不象石墨材料那樣在低電位處有一個電位平臺。過渡金屬氧化物用作LIB負極活性材料時的主要問題是不可逆容量大和充、放電電位平臺高。鋰一過渡金屬氮化物則由于其對空氣濕度的敏感，因此實際應用仍受到限制。至于鋰合金材料則因在合金化過程中體積膨脹率太大，致使電極材料在反復充、放電時粉化、導電網(wǎng)絡中斷，因此循環(huán)性能很差。對這些問題還有待進一步的研究，以求獲得更新更好的負極材料。
3.3電解液
電解液是鋰電池四大關(guān)鍵材料之一，號稱鋰電池的“血液”，是鋰電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證；作為鋰離子電池必需的關(guān)鍵材料，鋰離子電池電解液的發(fā)展取決于鋰離子電池的發(fā)展。鋰電池電解液是由六氟磷酸鋰（LiPF6）加上有機溶劑配成，六氟磷酸鋰由五氯化磷和溶解在無水氟化氫中的氟化鋰反應結(jié)晶而成。其供貨商主要在國外，如德國Merck公司和日本Stella公司，且質(zhì)量較好。我國是繼日本之后成為全球第二個產(chǎn)業(yè)化六氟磷酸鋰的國家，國內(nèi)有金光高科有限公司、天津化工設計研究院、山東肥城市興泰化工廠等企業(yè)能生產(chǎn)。
2007年，江蘇國泰鋰電池電解液的產(chǎn)量為2490噸，已經(jīng)達到世界第二的水平。目前，華榮化工、日本宇部、韓國三星是全球鋰電池電解液產(chǎn)能最大的三家企業(yè)。江蘇國泰的鋰電池電解液業(yè)務已經(jīng)占營業(yè)利潤的30%，發(fā)展成為公司利潤新的增長點。根據(jù)公司2008年半年報，江蘇國泰2008年上半年實現(xiàn)營業(yè)收入147320.2萬元，比上年同期增長13.36%；實現(xiàn)歸屬于母公司所有者的凈利潤5366萬元，比上年同期增長52.55%；而同期，華榮公司實現(xiàn)營業(yè)收入13493.99萬元，凈利潤1862.52萬元，分別占江蘇國泰營業(yè)收入和凈利潤的9%和34.7%。而2009年公司新增產(chǎn)能投產(chǎn)后，華榮化工鋰電池電解液的產(chǎn)能將達到3000噸/年。
巨化股份擁有六氟磷酸鋰全套生產(chǎn)技術(shù)，并供應六氟磷酸鋰上游原料無水氟化氫，巨化股份公司網(wǎng)站和巨化股份在浙江衢州統(tǒng)籌的招商引資項目中都有六氟磷酸鋰項目，鋰離子電池的興旺將拉動上游電解液六氟磷酸鋰的氟化工產(chǎn)業(yè)鏈，巨化股份正迎來機遇。
據(jù)估算每輛新型動力汽車需碳酸鋰約為0.03噸，假設09年起全球新增1%的乘用車使用鋰電池，此后逐年遞增1%。按2007年全球產(chǎn)銷規(guī)模約5000萬輛為基數(shù)，依此推算，每年新增碳酸鋰需求將達數(shù)萬噸。目前全球碳酸鋰供需基本平衡，如因新型動力電池而出現(xiàn)需求的跳躍式增長，碳酸鋰的供需平衡將被徹底打破，市場規(guī)模的急劇擴大，將給現(xiàn)有碳酸鋰生產(chǎn)企業(yè)帶來革命性變化。
4．隔膜
隔膜材料占鋰離子電池成本的三分之一左右。鋰離子電池隔離膜一般采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)單層微孔膜，以及由PP和PE復合的多層微孔膜作為隔離膜，以聚丙烯為例，其原料成本約8千元/噸，而將其加工成隔膜后，其價值可達到300萬元/噸，大幅升值幾百倍。
5．電池保護IC
鋰電池在使用過程中，過充電、過放電和過電流都會影響電池使用壽命和性能，嚴重者會導致鋰電池燃燒、爆炸，現(xiàn)已出現(xiàn)手機鋰電池爆炸致人傷亡的案例，經(jīng)常出現(xiàn)IT和手機廠家召回鋰電池產(chǎn)品的事件。所以每塊鋰電池都要安裝一塊安全保護板，由一塊專用IC和若干個外部元件組成，通過保護環(huán)路有效監(jiān)測并防止對電池產(chǎn)生損害，防止過充、過放和短路造成的燃燒、爆炸等危險。由于每個鋰離子電池中都要安裝一片電池保護IC，鋰電池保護IC市場大得驚人，每年有幾十億美元的市場，專業(yè)的微電子生產(chǎn)商正磨刀霍霍，其中士蘭微是生產(chǎn)“鋰電池保護電路芯片”的龍頭企業(yè)，公司生產(chǎn)的鋰電池保護用集成電路，可比日本理光的產(chǎn)品媲美，而價格卻低得多，市場潛力很大。
由于鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化，因而降低可充電次數(shù)。鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流／短路保護和過放電保護，要求過充電保護高精密度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。士蘭微已開發(fā)了SA1412型號雙節(jié)鋰電池保護電路、SA45141型號3節(jié)或4節(jié)鋰電池保護電路、SC8261G型號單節(jié)鋰電池保護電路、SC121型號內(nèi)置延時電容單節(jié)鋰電池保護電路、SC8201型號單節(jié)鋰電池保護電路、SC8821型號內(nèi)置MOSFET的單節(jié)鋰電池保護芯片，其中SA1412是鋰電池保護用集成電路。當鋰電池處于過放電、過充電以及過電流時，對鋰電池起到保護作用。SC8821是內(nèi)置MOSFET的單節(jié)鋰電池保護芯片，為避免鋰電池因過充電、過放電、電流過大導致電池壽命縮短或電池被損壞而設計的，SC8821具有高精確度的電壓檢測與時間延遲功能。
鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要，否則嚴重者會導致燃燒、爆炸，致人傷亡，所以通常都會在電池包內(nèi)設計保護線路用以保護鋰電池，鋰電池保護電路芯片是每一塊鋰電池的保護神，市場前景非常廣闊。
3鋰電池發(fā)展的障礙
鋰離子電池也存在許多缺陷：循環(huán)壽命短，充電電路復雜，對電池內(nèi)部保護電路的要求很高等，尤其對全密封鋁殼封裝的鋰離子電池來說，在其安全保護的設計上存在一個極其致命的缺陷。
3.1資源緊缺
地殼中鋰元素的比例約為0.0065%，其豐度在各種元素中居第27位。海水中鋰的總儲量達2600億噸，但濃度太小，提煉困難。世界鹽湖鋰資源主要分布在智利、阿根廷、中國及美國?；◢弬ゾr鋰礦床主要分布在澳大利亞、加拿大、芬蘭、中國、津巴布韋、南非和剛果。印度和法國也發(fā)現(xiàn)偉晶巖鋰礦床，但是不具有商業(yè)開發(fā)價值，目前世界上只有少數(shù)國家擁有可經(jīng)濟開發(fā)利用的鋰資源。
中南大學化學電源與材料研究所所長唐有根表示，即便是鋰的成本和安全性的問題全部解決了，今后用鋰電池替代汽油的話，也滿足不了全部需求，因為這相當于用一種緊缺的資源去替代另一種緊缺的資源。
3.2冶煉污染
鋰離子電池中含有的六氟磷酸鋰、聚丙二乙烯(醇)等化學物質(zhì)會對環(huán)境造成有機污染。其含有的鈷等重金屬元素，也會對環(huán)境會造成危害，尤其是鈷，含量相對較高，屬于稀有貴重金屬，具有很高的回收價值。雖然鋰電池本身的污染并不嚴重，但鋰金屬在提取冶煉過程中，對環(huán)境的污染不亞于汽油產(chǎn)生的污染。金屬鋰的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有熔鹽電解法和真空熱還原法。熔鹽電解法系采用氯化鋰為原料，在熔融電解槽內(nèi)電解時分解為金屬鋰和氯氣，在陰極析出鋰，在陽極析出氯氣。電解進行時，氯化鋰離解為鋰離子，向陰極移動并放電，形成的金屬鋰通過熔鹽逐漸上升到電解槽表面或到鋰收集室。在陽極析出的氯氣通過熔鹽上升至出口排出或收集。該法的最大缺點是電解時產(chǎn)生氯氣污染嚴重，且產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，生產(chǎn)成本高。
3.3安全問題
香港大公報報道，09年1月，廣州一起手機爆炸事件導致一男子死亡。專家認為，市場上多半使用的高容量鋰電池由于化學成分的不同，在發(fā)生質(zhì)量問題時，容易出現(xiàn)爆炸傷人事故。而相對安全的是鎳氫和鎳鎘電池。鋰元素過于活躍，它使用時不太安全，經(jīng)常會在充電時出現(xiàn)燃燒、爆裂的情況，后來經(jīng)過改進型的鋰離子電池，加入了能抑制鋰元素活躍的成分，從而使鋰電提高安全標準和高效。
在鋰電池發(fā)展過程中，因為采用的正負極材料及其配方不同，出現(xiàn)過爆炸、燃燒等不安全現(xiàn)象。主要是負極采用金屬鋰，經(jīng)循環(huán)后產(chǎn)生枝晶，致使短路，出現(xiàn)燃燒爆炸；而正極材料采用鈷酸鋰或鎳鈷鋰等，其化學活潑性較高，在石墨負極的配合下，一旦出現(xiàn)高溫，容易發(fā)生爆炸燃燒。盡管實際發(fā)生的概率在十萬分之一或百萬分之一以上，但由于以手機及筆記本電腦等為主的電子消費品數(shù)量極大，使用范圍極廣，因此累計發(fā)生的安全事故絕對數(shù)量使人們感覺很多。由于這些電子消費品是人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)常相伴，不可或缺的用品，一旦發(fā)生安全問題，影響很大，致使人們“談鋰電池色變”。這種在電子數(shù)碼產(chǎn)品中使用的鋰電池的安全問題形成一種成見，開始影響電動助力車用鋰電池。
鋰離子電池的安全設計過分依賴其內(nèi)部電子安全保護芯片，而沒有設置必要的物理安全保護措施。在充電以及使用的過程中，一旦出現(xiàn)其安全保護芯片失效的故障，后果是不堪設想的，輕則出現(xiàn)電池內(nèi)部氣體積聚引起電池體漲鼓現(xiàn)象，重則可能因為發(fā)生電池內(nèi)部短路等等異常而導致電池爆炸的悲劇發(fā)生。
3.4成本問題
相對于鉛酸蓄電池，鋰電池用于電動助力車的成本較高是一個突出的特點，也是影響鋰電池大規(guī)模替代鉛酸蓄電池用于電動助力車的關(guān)鍵。鋰電池的正極材料、負極材料、集流體、隔膜、電解質(zhì)等主材價格比鉛酸蓄電池高出很多，其組裝輔材和外部電路系統(tǒng)成本則是鉛酸蓄電池幾乎沒有的。雖然鋰電池由于能量遠高于鉛酸蓄電池，因此單位功率的原輔材料成本并沒有表現(xiàn)出來的成本差距那么大，但是二者的材料成本差距確實存在，而且差距以倍數(shù)計。由于制作工藝的原因，鋰電池的人工成本比較高。在制造成本中，鋰電池的人工成本占40%以上，而鉛酸蓄電池的人工成本一般為10%～20%。鋰電池在生產(chǎn)中大部分過程是不可逆的，而鉛酸蓄電池是可逆修復的，因此鋰電池的總體合格率較低。鉛酸蓄電池使用之后的回收價值在40%以上，而鋰電池的回收價值幾乎是零。
4鋰電池的市場前景
目前動力電池主要是鎳氫電池和鋰電池兩種形式，混合動力電池目前多采用鎳氫材料，但由于鎳氫電池的一些技術(shù)性能已經(jīng)接近理論極限值，因此并不被認為是未來的發(fā)展方向。相對而言，鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量密度大、無記憶效應、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，得到廣泛的認可。
自從商業(yè)化以來，鋰離子電池不斷攻城略地，已在便攜式電器如手提電腦、攝像機、移動通訊中得到普遍應用。鋰電池電解液目前主要用于手機、數(shù)碼相機、手提電腦等電子產(chǎn)品以及礦燈，約占鋰離子全部使用量的90%；已經(jīng)獨霸手機和手提電腦等高端市場，成為各類電子產(chǎn)品的主力電源。電子產(chǎn)品、礦燈等用鋰電池的需求將保持每年10%的穩(wěn)定增長。
目前開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用。雷天鋰離子動力電池與汽車產(chǎn)業(yè)巨頭一汽集團合作，重點開發(fā)鋰離子電動商務中巴、鋰離子電動豪華大巴、鋰離子電動城市大巴三種車型，并在長春和無錫生產(chǎn)基地投產(chǎn)，計劃09年大批量生產(chǎn)。安裝“雷天”鋰離子動力電池的大客車，充電20分鐘即可以130公里時速行駛300公里左右路程，而每百公里耗電僅18度。日本及海外汽車廠商紛紛開始在乘用車上采用鋰離子充電電池。在日本國內(nèi)廠商中，豐田汽車、富士重工業(yè)、三菱汽車已經(jīng)決定采用，而在歐美，戴姆勒也表示采用。德國奧迪、美國通用汽車也準備在2010年采用。
在目前的混合動力汽車及未來的電動汽車所采用或?qū)⒉捎玫碾姵刂?，存在著鎳氫電池與鋰電池之爭。與鋰電池相比，鎳氫電池具有續(xù)航能力不足以及不能外插式充電等缺陷。市場分析人士認為，隨著鋰電池技術(shù)的提高，以及大規(guī)模制造導致成本降低，未來有可能替代鎳氫產(chǎn)品成為HEV動力電池的主流。鋰電池代表的是混合動力汽車動力電池的未來，而目前從成本和商業(yè)化的角度看，更現(xiàn)實的選擇是鎳氫電池。鎳氫動力電池剛剛進入成熟期，是目前混合動力汽車所用電池體系中唯一被實際驗證并被商業(yè)化、規(guī)?；碾姵伢w系，全球已經(jīng)批量生產(chǎn)的混合動力汽車全部采用鎳氫動力電池體系。
現(xiàn)有混合動力電池99%的市場份額為鎳氫動力電池，商業(yè)化的代表是豐田的普銳斯。據(jù)科力遠預計，到2020年前，非鎳氫混合動力電池的占有市場份額不到20%，鎳氫混合動力電池的市場前景看好。在未來的8～10年，鎳氫動力電池仍是新型混合動力汽車的動力電池體系的主導產(chǎn)品。科力遠目前正與國內(nèi)奇瑞汽車、長安汽車等合作，首條生產(chǎn)線的產(chǎn)品主要供應奇瑞汽車。
有關(guān)專家曾樂觀地預期，至2016年鋰離子電池市場總產(chǎn)值有望挑戰(zhàn)100億美元。預計將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一，并將在人造衛(wèi)星、特種航天和儲能方面得到應用。其未來的市場前景十分廣闊，被視為21世紀發(fā)展的理想能源。作為伯克希爾?哈撒韋公司的董事長，世界股神沃倫?巴菲特就曾劍指新能源動力。2008年9月巴菲特旗下的中美能源宣布以2.32億美元購入比亞迪約2.25億股，鋰電池的魅力由此可見一斑。
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