鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1100次 | 2018年12月03日
鋰離子電池產(chǎn)業(yè)價(jià)值
10多年前,鋰離子電池還只是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室孜孜以求的學(xué)術(shù)成果。
今天，人們的生活幾乎離不開它。手機(jī)、手提電腦，幾乎所有的攜帶式個(gè)人電子用品都要靠它來(lái)提供所需的能量?？墒侨绾伟阉b在汽車上，成為汽車的動(dòng)力；又如何讓它成為未來(lái)存取電能的“容器”，科學(xué)家們又開始不斷地探索，電池“肚量”要越來(lái)越大，動(dòng)力要越來(lái)越強(qiáng)，壽命要越來(lái)越長(zhǎng)，但并不意味著體積和重量也要越來(lái)越大，這不是簡(jiǎn)單的數(shù)量疊加。
這個(gè)變化的關(guān)鍵，就是電池的材料。用于手機(jī)電池的材料，絕對(duì)不能用來(lái)制造電動(dòng)汽車的“心臟”，否則不是可能會(huì)爆炸，而是一定會(huì)出事。因此，各國(guó)的科學(xué)家都在試圖尋找最佳答案。
20年堅(jiān)持，從無(wú)到有
中國(guó)科學(xué)院物理所研究員、博士生導(dǎo)師黃學(xué)杰評(píng)價(jià)我國(guó)的鋰離子電池發(fā)展是：從無(wú)到有，從小到大，發(fā)展很快。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
2000年我國(guó)的產(chǎn)量約2000萬(wàn)塊，占全球份額3.6%，與韓國(guó)相近，而當(dāng)時(shí)日本已達(dá)年產(chǎn)5.12億塊，占93.9%。2002年我國(guó)跨過(guò)1億塊，2004年達(dá)到7.6億塊，占全球市場(chǎng)的37.1%，僅次于日本。
我國(guó)的鋰離子電池研究開發(fā)項(xiàng)目一直是863計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目，從移動(dòng)電子設(shè)備用小型電池開始，連續(xù)20年獲得支持。目前小型鋰離子電池已形成年產(chǎn)2億只以上的生產(chǎn)能力，日本SONY、三洋等公司也將生產(chǎn)廠建到中國(guó)。大部分材料實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)已自建和引進(jìn)多條生產(chǎn)線，配套材料廠也有很多個(gè)，均已形成大規(guī)模生產(chǎn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。
“小型電池及其相關(guān)材料目前技術(shù)工藝成熟，生產(chǎn)成規(guī)模，主要是產(chǎn)業(yè)投資推動(dòng)。”黃學(xué)杰說(shuō)。
“我國(guó)的動(dòng)力電池的研究相對(duì)較晚，但到目前為止也已取得了驕人的成績(jī)?！秉S學(xué)杰說(shuō)，中科院物理所經(jīng)過(guò)20年來(lái)的研究積累，在納米儲(chǔ)鋰負(fù)極材料和磷酸鹽正極材料的研究方面我國(guó)居國(guó)際一流水平。
我國(guó)的動(dòng)力型鋰離子電池“十五”期間在863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的支持下開始了研究開發(fā)，解決了高功率輸出的問(wèn)題，安全性也得到了極大的提高，依托于中科院物理所技術(shù)的蘇州星恒電源有限公司創(chuàng)造地實(shí)現(xiàn)了平板電池的機(jī)械化生產(chǎn)，2004年，蘇州星恒公司研發(fā)的10安時(shí)高能量型和7.5安時(shí)高功率型錳酸鋰離子動(dòng)力電池已通過(guò)美國(guó)UL安全測(cè)試，成為中國(guó)本土第一個(gè)通過(guò)UL認(rèn)證的鋰離子動(dòng)力電池，目前產(chǎn)品已批量供應(yīng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。開發(fā)的15安時(shí)高功率電池通過(guò)863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)組織的統(tǒng)一測(cè)試，“十五”期間已成功應(yīng)用于燃料電池混合電動(dòng)轎車概念車“超越二號(hào)”和“超越三號(hào)”。8安時(shí)高功率電池已成為“上?！迸迫剂想姵鼗旌限I車的標(biāo)配。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
“車用鋰離子動(dòng)力電池等高端產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)，不僅僅是我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，也必將帶來(lái)我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的全面技術(shù)升級(jí)?！秉S學(xué)杰說(shuō)。
不斷創(chuàng)新，不斷飛躍
我國(guó)動(dòng)力電池的發(fā)展是伴隨著電動(dòng)自行車的成長(zhǎng)而起的。但在國(guó)內(nèi)剛開始開展鋰離子電池電動(dòng)車研發(fā)時(shí)，鋰離子電池曾出現(xiàn)若干爆炸事故。
一般來(lái)說(shuō)，電池安全性是和電池中儲(chǔ)存的能量成反比的，即所能釋放的能量越大，其安全性就越差。
黃學(xué)杰說(shuō)，換句話說(shuō)就是和電池的重量成反比的。當(dāng)然，隨著電池體積的增加，散熱性能變差，爆炸的可能性更是大幅度增加，所以，將鋰離子蓄電池做成動(dòng)力電池，就必須提高其安全性能；其用量的愈大，其要求達(dá)到的安全性指標(biāo)也就愈高。
鋰離子電池發(fā)生爆炸，一個(gè)很重要原因是使用手機(jī)電池常用的鈷酸鋰做為鋰離子電池的正極材料。鈷酸鋰材料的理論比能量超過(guò)每克270毫安時(shí)，但為保證其循環(huán)性，實(shí)際可使用比容量只有理論容量的一半，即140毫安時(shí)左右。
“在實(shí)際使用過(guò)程中，如果在某些意外的情況下，比如管理系統(tǒng)損壞而導(dǎo)致電池充電電壓過(guò)高，則剩余的一部分鋰就會(huì)從正極經(jīng)電解液在負(fù)極表面以金屬鋰的形式沉積?！秉S學(xué)杰說(shuō)，而金屬鋰的表面欠電位沉積極易形成“枝晶”，從而刺穿隔膜，將正負(fù)極短路，引起起火爆炸等安全事故。另外，金屬鋰非?；顫姡埸c(diǎn)也低，在電池溫度局部過(guò)高或者殼體破損接觸空氣的情況下也非常的危險(xiǎn)。
尋找替代鈷酸鋰的正極材料，解決安全問(wèn)題是生產(chǎn)動(dòng)力型鋰離子電池的最優(yōu)先要考慮的問(wèn)題。
“十五”期間，在863計(jì)劃支持下，中科院物理所發(fā)展了氧空位磷酸鐵鋰和用于車用動(dòng)力電池的錳酸鋰正極材料，他們發(fā)展出了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的表面修飾技術(shù)，應(yīng)用于改性進(jìn)尖晶石錳酸鋰材料，生產(chǎn)出可逆容量達(dá)到107毫安時(shí)每克，55℃循環(huán)200次容量保持率大于90％，優(yōu)于國(guó)際同類產(chǎn)品水平，保障了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)中高功率鋰離子電池項(xiàng)目的順利推進(jìn)。在山東試驗(yàn)工廠的技術(shù)工藝基礎(chǔ)上，在無(wú)錫建成了年產(chǎn)1000噸的生產(chǎn)線。
在鋰離子蓄電池的負(fù)極材料的研發(fā)上，我國(guó)也有重要進(jìn)展。作為手機(jī)鋰離子電池負(fù)極材料的首選中間相炭微球，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化。上海杉杉和天津鐵成等生產(chǎn)的該類型負(fù)極材料，其可逆容量均在300―340毫安時(shí)/克，性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或部分超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平，且價(jià)格只有進(jìn)口產(chǎn)品的三分之二。但石墨負(fù)極材料不能滿足混合動(dòng)力汽車的高功率和長(zhǎng)壽命要求，黃學(xué)杰介紹說(shuō)，在動(dòng)力電池中，使用具有石墨結(jié)構(gòu)的中間相炭微球存在一個(gè)致命的缺陷，即在大電流沖擊的時(shí)候，由于體積變化，炭球表面的固體電解質(zhì)層會(huì)破損，從而加速其壽命衰減。在863納米專項(xiàng)的支持下，北京星恒成功地開發(fā)出來(lái)硬碳負(fù)極材料，位于八大處高科技園的試驗(yàn)線預(yù)計(jì)本月底投產(chǎn)。
瞄準(zhǔn)未來(lái)，成就產(chǎn)業(yè)
在比現(xiàn)有碳材料（372毫安時(shí)/克）容量更高的負(fù)極材料，成為研究的熱點(diǎn)時(shí)，氧化錫首先被發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能，導(dǎo)致人們開始研究一系列基于金屬和氧化物的負(fù)極材料，然而錫、硅等作為鋰離子電池負(fù)極材料的致命問(wèn)題在于：充放電過(guò)程中，隨著鋰的反復(fù)嵌入脫出，體積變化高達(dá)300%―400%，導(dǎo)致電極的機(jī)械穩(wěn)定性降低，材料也因發(fā)生粉化逐漸失效，因此循環(huán)性能很差。
黃學(xué)杰說(shuō)，納米合金化可以克服錫基材料這一弱點(diǎn)，已在SONY的Nexlion中獲得應(yīng)用，物理所在1998年即發(fā)表論文指出納米化是提高此類材料循環(huán)性能的有效途徑。國(guó)內(nèi)中國(guó)鋼研科技集團(tuán)公司在863的支持下已初步開發(fā)出具有一定循環(huán)穩(wěn)定性的錫基材料。在世界范圍內(nèi)，具有高比容量的非碳負(fù)極活性材料正處于大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的起步階段，采用三維集流體材料提高鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能，是目前國(guó)際鋰離子電池領(lǐng)域的一個(gè)主要研究熱點(diǎn)。
與傳統(tǒng)二維銅箔相比，三維集流體材料能夠?yàn)榛钚晕镔|(zhì)提供更加良好的導(dǎo)電環(huán)境，縮短多孔電極內(nèi)部平均電子傳輸距離，從而降低極片內(nèi)阻，減小大電流充放電產(chǎn)生的電極極化現(xiàn)象；更重要的是，三維基體還能在一定程度上緩解高比容量活性材料的“體積效應(yīng)”，減少內(nèi)應(yīng)力對(duì)電極結(jié)構(gòu)的破壞，從而改善電極的循環(huán)壽命與充放電效率。
目前，蘇州星恒電源有限公司鋰離子動(dòng)力電池的比功率已達(dá)到120Wh/kg，已占國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)的80%以上，部分產(chǎn)品已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。
“十一五”期間，863計(jì)劃繼續(xù)給予了支持，針對(duì)車用動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料的研發(fā)，啟動(dòng)了一系列項(xiàng)目。
黃學(xué)杰說(shuō)，隨著動(dòng)力型鋰離子電池材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的深入，必將大大促進(jìn)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，無(wú)論從安全性、高溫循環(huán)性、使用壽命，還是從制造成本上講，都將把動(dòng)力電池的產(chǎn)品推廣和市場(chǎng)開發(fā)推向新的高度。另一方面，新的、動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的發(fā)展又對(duì)上游原材料生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求，促進(jìn)了上游產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品純度以及制造成本等方面的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。
“相信未來(lái)幾年，鋰離子動(dòng)力蓄電池會(huì)逐漸占領(lǐng)電動(dòng)車市場(chǎng)”。黃學(xué)杰說(shuō)。
鋰離子電池重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
氧空位磷酸鐵鋰：根據(jù)自主研發(fā)的一種獨(dú)特的合成方法，制備出可逆容量達(dá)160mAh/g的氧空位磷酸鐵鋰正極材料，循環(huán)500次容量未見衰減，特別是具備高倍率（10C）放電能力。
鈷鎳錳酸鋰：可以取代鈷酸鋰的鈷鎳錳酸鋰正極材料研制成功，發(fā)展出獨(dú)特的前驅(qū)體合成技術(shù)和加鋰技術(shù)，80%的鈷被錳和鎳取代,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶粒尺寸的控制，合成材料的可逆容量達(dá)到165mAh/g，比鈷酸鋰高10％以上，循環(huán)壽命達(dá)到500次，而成本不到鈷酸鋰的50％，已在小試的基礎(chǔ)上建成了年產(chǎn)150噸的中試線。
改進(jìn)尖晶石錳酸鋰：發(fā)展出了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Al2O3表面修飾技術(shù)，生產(chǎn)出可逆容量達(dá)到107mAh/g，55℃循環(huán)200次容量保持率大于90％，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)可用于混合電池用高功率鋰離子電池的材料，保障了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)高功率鋰離子電池項(xiàng)目的順利推進(jìn)。
復(fù)合負(fù)極材料：開發(fā)出的復(fù)合負(fù)極材料，可逆儲(chǔ)鋰容量已經(jīng)達(dá)到600mAh/g，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
石墨化納米纖維導(dǎo)電添加劑：實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳纖維直徑和長(zhǎng)度分布的控制，開發(fā)出石墨化納米纖維導(dǎo)電添加劑，解決了此類添加劑的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。
電池研制：2004年星恒公司基于此材料制造的高功率混合汽車用鋰離子電池全面通過(guò)了863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)組織的統(tǒng)一測(cè)試，比功率達(dá)到1200W/kg，性能居國(guó)際先進(jìn)水平，星恒10Ah高能量型和7.5Ah高功率型鋰離子動(dòng)力電池通過(guò)美國(guó)UL安全測(cè)試，成為中國(guó)本土第一個(gè)通過(guò)UL認(rèn)證的鋰離子動(dòng)力電池，為該類電池進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)鋪平了道路。
