|
7月16～18日于北京舉行的“第十六屆中國電動車輛學(xué)術(shù)年會暨第二屆電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會”上，中國國家“863計劃”動力電池測試中心主任王子冬從市場和技術(shù)層面全面分析了全球鋰離子動力電池的發(fā)展?jié)摿ΑＫ赋觯蜾囯x子動力電池市場正處于一個重大轉(zhuǎn)型期，在電動車（EV）市場需求帶動下，預(yù)計該市場規(guī)模在未來5年內(nèi)將超過2000億元人民幣。 王子冬首先以日產(chǎn)綠葉（Leaf）電動車為例，介紹了鋰離子動力電池的市場需求情況。該車將于2010年秋季上市，并計劃在2010年生產(chǎn)5萬輛，2012年生產(chǎn)20萬輛。以鋰離子動力電池產(chǎn)量來看，每輛綠葉的電池容量為24kWh,20萬輛的容量相當(dāng)于48億kWh。這是目前全球手機鋰離子電池30億kWh市場的1.6倍。即一款汽車就可以完全改變整個市場狀態(tài)。目前，全球主要汽車制造商都已宣布要大規(guī)模生產(chǎn)采用鋰離子電池的電動車，而日產(chǎn)只是其中一家而已。 誘人的行業(yè)前景吸引了業(yè)內(nèi)外大量投資 王子冬指出，電動汽車的量產(chǎn)為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)帶來了重要的發(fā)展機會。按照上述測算，幾年之內(nèi)，鋰離子動力電池市場將超過全球手機鋰離子電池市場的規(guī)模。這種改變將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房的新一輪投資，同時，眾多新進入鋰離子動力電池及材料的廠商將使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)競爭更趨激烈。 受到誘人行業(yè)前景的吸引，很多來自不同行業(yè)的廠商將目標(biāo)定位在電動汽車市場，欲在鋰離子動力電池商機中分一杯羹。 例如，索尼在2009年11月進入了電動汽車和大容量蓄電池領(lǐng)域，并表示未來幾年內(nèi)將在量產(chǎn)設(shè)施上投資1000億日元。三洋電機將在2015年前投資800億日元，松下也準(zhǔn)備在2012年前投入1230億日元。另外，三菱重工在其長崎造船廠也投資了約100億日元建立實驗基地，準(zhǔn)備從2010年開始年產(chǎn)66MWh容量的鋰離子動力電池。 針對動力電池領(lǐng)域，LG化學(xué)公司投資了約10億美元；三星SDI和博世共同成立的SBLiMotive也投資了6億美元。美國陶氏化學(xué)和韓國KokamEngineering及其他合作伙伴成立了合資公司，投資6億美元，計劃針對電動車和混合動力車年產(chǎn)約6萬塊的鋰離子動力電池。 據(jù)王子冬介紹，中國的比亞迪和天津力神計劃將動力電池生產(chǎn)容量提升至10億Wh。近期全國在動力電池方面的投資總額約為22億美元。 鋰離子電池的應(yīng)用市場將從手機轉(zhuǎn)向電動車及智能電網(wǎng)領(lǐng)域 王子冬給出的一系列數(shù)據(jù)表明，電動車市場規(guī)模將從2009年的250億日元，激增至2010的3000億日元，并將在2012年超過便攜式電子產(chǎn)品市場，達到15800億日元。2014年將達22500億日元。從上述數(shù)據(jù)可以看出，市場在5年內(nèi)將增長90倍。 他接著分析表示，電動汽車中的鋰離子電池容量比手機中的高出幾個數(shù)量級。例如，目前手機中的鋰離子電池容量約為2-3Wh，而單一混合動力車電池組的容量約為1kWh，約為前者的500倍；電動車為20kWh，是前者的近1萬倍。 如果鋰離子動力電池實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，價格將會大幅下降，預(yù)計將在2015年降到約人民幣3750元/kWh，這時將有條件進入鐵路運輸和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。 隨著市場規(guī)模進一步擴大，當(dāng)價格降到約人民幣3750元/kWh時，鋰離子充電電池可考慮作為常備電池儲存電能，從而進入成本敏感型市場。 另外，在太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，大容量鋰離子電池可儲存電能，以保證電網(wǎng)穩(wěn)定供電。而對于這種應(yīng)用，目前只有硫化鈉電池一種產(chǎn)品。 綜上所述，大容量鋰離子電池的應(yīng)用相當(dāng)廣闊。2015年后，甚至可以進入公共建筑和家庭。 中國電網(wǎng)公司也在積極開展10MWh級的鋰離子電池儲能系統(tǒng)的試驗項目。 提高鋰離子電池能量密度 為了滿足電動車等市場對鋰離子電池的需求，首先要研發(fā)新材料，以提升電池能量密度。近期目標(biāo)是120Wh/kg，遠期目標(biāo)是 500Wh/kg。 全球各電池廠商已經(jīng)對陰正極、負極材料、隔膜與電解質(zhì)等關(guān)鍵元件做出選擇。通常，廠商們選擇的是日本廠商開發(fā)的材料。 據(jù)王子冬介紹，日立制作所與日立車輛能源于2010年1月開發(fā)出了插電式混合動力車的鋰離子動力電池，能量密度為120Wh/kg，在SOC為50%時，輸出功率密度為2400W/kg。 在開發(fā)中，為了提高能量密度，調(diào)整了原來電池中的電極活性物質(zhì)成分和電極厚度。為提高輸出功率密度，將導(dǎo)電材料碳調(diào)整為電流易流通的材料，降低了電極的內(nèi)部電阻。電池容量達25Ah，正極采用了錳（Mn）類材料，負極用的是碳材料。隔膜材料用耐熱陶瓷取代了原來的聚乙烯，保證隔膜在200℃高溫下不會收縮，并可防止正負極短路。同時，模擬分析了電池結(jié)構(gòu)及振動等，提高了抗振性能。并通過調(diào)整集電結(jié)構(gòu)，確保了可靠性。 另外，日立最新一代混合動力車鋰離子動力電池的輸出功率密度已達4500W/kg，為散熱性更好的方形結(jié)構(gòu)，正極采用錳（Mn）類材料，負極是非晶碳材料。 王子冬表示，目前鋰離子動力電池在車上占用的空間較大，成本很高，且能量密度僅為90～120Wh/kg，仍然無法滿足電動車長距離出行的需要。因此，各電池廠商仍需進一步改善能量密度、輸出功率密度、成本與安全性。希望能在2015年～2020年開發(fā)出能量密度達200～300Wh/kg的第二代材料。 主要材料體系特點分析 目前，全球廠商正在研究的主要材料體系包括： 1．磷酸鐵鋰正極材料的五年定型和一致性工藝研究。材料安全性好，壽命長。主要為美國專利。 2． 長壽命錳酸鋰材料研究。通過摻雜和生產(chǎn)工藝改進，提高高溫穩(wěn)定性。材料價格低，比能量高。目前工藝技術(shù)和設(shè)備由日本廠商掌握。 3． 鈦酸鋰材料作負極的研究。提高比能量，降低成本。材料安全性好，壽命長，充放電比功率高。主要為美國專利。 4．混合電容—電池的結(jié)構(gòu)和工藝研究。材料壽命長，充放電比功率高，價格低，安全性好。目前中、日、韓均在進行此項研究，中國已有產(chǎn)品問世，不存在國外專利保護問題。 圖1 電容電池技術(shù)的發(fā)展 王子冬指出，中國廠商可進一步拓展研究其他在安全性、壽命、充放電比功率、價格方面表現(xiàn)突出，且沒有國外專利保護的材料。 圖2 國外某公司高功率鋰離子電池性能（HEV） 圖3 2010年德國4.5Ah高功率電池性能 圖4 中國2008年高功率磷酸鐵鋰電池試驗結(jié)果（1） 圖5 中國2008年高功率磷酸鐵鋰電池試驗結(jié)果（2） 圖6 中國高功率磷酸鐵鋰電池測試結(jié)果 鋰離子電池材料的開發(fā)方向 鋰離子電池的正極、負極、電解液、隔膜及其他元件的特性必須合理搭配平衡，才能保證電池整體的高性能。 不同于特定容量普遍偏低的正極材料，硅、錫等許多負極材料的電位可以提供更大的容量，特別是硅，其理論容量至少10倍于目前最常用的負極材料石墨。但鋰離子的嵌入可以導(dǎo)致400%的體積變化，結(jié)構(gòu)很容易因反復(fù)充放電遭到破壞，其壽命延長成為一個關(guān)鍵問題。 研究人員已經(jīng)在嘗試與傳統(tǒng)石墨混合以制造空氣間隙，從而控制體積膨脹到一定程度，以及與氧化硅或其他材料再混合的石墨，以制造出一種氧化硅-碳（SiO-C）的復(fù)合材料。一、兩年內(nèi)，使用這種硅復(fù)合負極材料的電池將首先應(yīng)用在手機中。 對于電動車來說，鋰離子動力電池組的安全性非常重要。由于負極材料石墨比鋰的電位低，因而不可避免地會出現(xiàn)鋰沉積在負極界面或電解質(zhì)形成化合物的問題。 東芝為此開發(fā)出一種鋰鈦氧化物L(fēng)TO（Li4Ti5O12）的新型負極材料。LTO比鋰的電位高，可避免上面提到的鋰沉積或與電解質(zhì)界面反應(yīng)的問題，提高了電池的安全性。不過，LTO的電位比鋰高出約1.5V，使用現(xiàn)有的正極材料時，電池放電電壓將減少至約2.4V。其理論電容與石墨相當(dāng)，因此電池能量密度的提高有一定程度的限制。 在采用LTO與5V的正極材料，或者采用它與高容量硅合金復(fù)合材料或類似材料，以提高電池放電電壓的情況下，電池能量密度很可能至少可以提高到200Wh/kg。 另外，據(jù)王子冬介紹，全球各電池廠商及相關(guān)機構(gòu)正在加緊針對全新類型、能量密度超過500Wh/kg電池的基礎(chǔ)研究，如固態(tài)電池、鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等，并計劃在2030年前后開始推向市場。 圖7 鋰離子電池材料開發(fā)的長遠目標(biāo) 對于全固態(tài)電池，日本大阪府立大學(xué)一直在研究采用硫化物類固態(tài)電解質(zhì)。例如，加熱Li2S-P2S5類玻璃進行結(jié)晶化后的電池，其室溫下的離子導(dǎo)電率達到10-3S/cm以上，與目前液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率水平相同，而且還可能再提高2～5倍。 對于仍用有機溶劑，但采用新結(jié)構(gòu)以提高能量密度的鋰空氣電池，由于其正極上用空氣中的氧作為活性物質(zhì)，因此，理論上正極的容量密度是無限的。此外，當(dāng)負極使用金屬鋰時，理論容量可比鋰離子電池高一個數(shù)量級。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本學(xué)術(shù)振興會已開發(fā)出這種電池。 圖8 新結(jié)構(gòu)的鋰空氣電池原理示意圖 電池的負極采用金屬鋰條，電解液組合用的是含有鋰鹽的有機電解液，正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細化后的碳和低價氧化物催化劑形成正極組合。 該電池放電反應(yīng)生成的不是固體氧化鋰（Li2O），而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰（LiOH）。因此，氧化鋰在空氣電極堆積后，不會導(dǎo)致工作停止。另外，水及氮等也不會穿過固體電解質(zhì)隔膜，因此不會出現(xiàn)與負極鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的危險。在配置充電專用的正極時，還可防止充電導(dǎo)致空氣電極的腐蝕和老化。 試驗結(jié)果表明，以0.1A/g的放電率放電時，放電容量約為9000mAh/g，而此前的鋰空氣電池放電容量只有700～3000mAh/g。 另外，若以水溶液代替水溶性凝膠，可在空氣中以0.1A/g的放電率放電20天，其放電容量約為50000mAh/g，比原來提高一個數(shù)量級。由于金屬鋰電池的容量本來就比鋰離子電池高一個數(shù)量級，因此，這一放電容量實際上比鋰離子電池高了2個數(shù)量級。不過，凝膠的易用性更好些。 另外，如果不對這種鋰空氣電池直接充電，而是通過底座更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補充負極的金屬鋰，可縮短電動車的充電時間，更換后即可行駛。通過回收水性電解液重新生成金屬鋰，可實現(xiàn)鋰的循環(huán)使用。 |
