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鋰離子動力電池:最具發展潛力的電動汽車車載電源
發布時間:2012-11-22  來源:中國工業網 

    能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎。縱觀人類社會發展歷史,人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的變革和更替。在過去100多年里,發達國家先后完成了工業化建設,消耗了地球上大量的自然資源,特別是能源資源。當前,一些發展中國家正在步入工業化階段,能源消費增加是經濟社會發展的客觀必然。中國是當今世界上最大的發展中國家,發展經濟,擺脫貧困,是中國政府和中國人民在相當長一段時期內的主要任務。中國是目前世界上第二位能源生產國和消費國。能源供應持續增長,為經濟社會發展提供了重要的支撐。能源消費的快速增長,為世界能源市場創造了廣闊的發展空間。中國已經成為世界能源市場不可或缺的重要組成部分,對維護全球能源安全,發揮著越來越重要的積極作用。

 

一、行業政策

 

    由于我國能源消耗越來越高,資源緊缺與經濟快速發展的矛盾突出,國家一直鼓勵新能源動力電池技術和產業化的發展,主要政策列舉如下:

 

    ①2011年國家發展改革委發布的《產業結構調整指導目錄(2011年本)》,鼓勵類第十六條第6款提出,鼓勵新能源汽車關鍵零部件中,鼓勵動力電池正極材料(比容量≥150mAh/g,循環壽命2000次不低于初始放電容量的80%)研發和產業化。 co
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    ②2012年工信部發布的《節能與新能源汽車發展規劃(2011—2020年)》,未來工作的主要任務中提出重點突破動力電池技術瓶頸,開發新型正極材料,加強電池管理可靠性研究和輕量化設計,提高電池比能量。加快推進動力電池關鍵材料和裝備自主化,重點支持具有技術基礎和發展潛力的企業,自主研發和生產鋰離子電池正極材料,同時鼓勵和支持有條件的裝備制造業,自主研發動力電池及關鍵材料的生產,打破國外壟斷。

 

    “規劃”中產業布局提出重點建設京津、珠三角、長三角地區動力電池產業聚集區域。到2020年,培育形成2-3家產銷規模超過200億瓦時,具有電池關鍵材料研發和生產能力的動力電池龍頭,形成2-3家鋰離子動力電池正極材料生產企業。
 

    關于新能源汽車產業布局,要求結合示范工程,創建新能源汽車產業先導示范基地;依托現有汽車重點企業,重點建設長春、上海、武漢、重慶、北京、廣東、安徽、浙江等新能源汽車產業基地。到2020年,培育形成1-2家新能源汽車產銷規模超過100萬輛汽車企業集團,3-5家新能源汽車產銷規模超過50萬輛的汽車企業集團。

 

    根據“規劃”,到2015年,新能源汽車補貼試點城市數量將達到20個以上。

 

    ③地方鼓勵發展新能源汽車政策 中機
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    廣州市即將公布的相關產業發展規劃顯示:未來幾年,將大力發展電動汽車及相關產業,到2015年,力爭混合動力及純電動汽車保有量達到15萬輛。
 

    江蘇省于今年3月出臺《江蘇省新能源汽車推廣應用指導意見》,明確新能源汽車推廣應用的工作進度和目標任務:2012-2014年,重點在南京、蘇州、南通試點;2013-2015年,在無錫、常州、鹽城、揚州、鎮江等地選擇有條件的地區繼續推廣應用。各試點市在試點期內分別推廣應用新能源汽車1000輛以上,其中純電動汽車占50%以上。

 

    佛山市買電動車可獲三成補貼;合肥市把2012年確定為新能源汽車3年示范推廣最后一年。 中機院機電市場研究所

    山東省出臺多項政策促進新能源汽車發展,濟南、淄博、濰坊、煙臺、臨沂、德州和聊城被列入山東省新能源汽車推廣試點城市,在公共交通、出租、公務、環衛和郵政等公共領域推廣應用新能源汽車。
 

    山東省規劃到2015年,全省新能源汽車生產規模達到25萬輛,其中新能源客車2萬輛,新能源乘用車10萬輛,低速電動車8萬輛,新能源專用車5萬輛,其中有20%以上的產品出口國際市場。”

 

    安徽省《汽車產業調整和振興規劃》要求,大力發展以電動汽車為代表的新能源汽車的研究、開發和市場應用,到2011年,包括純電動、充電式混合動力和普通型混合動力在內,新能源汽車要形成年50萬輛的產能,銷量要占國內乘用車銷售總量的5%左右。 c
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    安徽合肥2012年,將推廣2.25萬輛新能源汽車,建設20座充電站及一批充電樁,到“十二五”末,合肥將形成10萬輛新能源乘用車和5000輛新能源客車的產能。
 

二、市場現狀及前景
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    新能源汽車的動力用電池技術是新能源汽車的核心技術。在目前的技術條件下,新能源汽車的發展依賴于動力用電池技術的發展。
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    目前汽車用蓄電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池。其中鉛酸電池由于比能量低,目前只大量應用于傳統汽車的啟動電源。其它幾類目前都可以作動力電池應用,但鎳氫電池電壓低,只有1.2V,導致比能量低,組裝后電池體積過大,極大的限制了鎳氫電池作為動力電池的發展前景。燃料電池目前僅在實驗室及新概念車型中使用,由于該電池中需大量采用貴金屬鉑,且由于儲氫技術難及成本高限制了其大規模使用前景。
 

    新能源汽車在電池的配用上,鑒于鎳氫電池技術最成熟,成本相對較低,因而目前是HEV(混合動力汽車)配用電池的首選。由于鎳氫電池自放電率高、比能量較小,只能用在HEV上,不適合應用于要求長續航時間的PHEV(插電式混合動力汽車)和EV(純電動汽車)上。而鋰離子電池因為有更高的能量密度、更大的放電功率、自放電小和壽命長等優點,而成為未來電池發展的方向。特別是對磷酸鐵鋰電池的應用研究,在安全性與續航能力方面不斷取得技術突破,將在PHEV、EV上獲得大規模應用,并將在2020年后逐漸取代鎳氫電池。各種電池的技術性能比較見表1。
 

表1  磷酸鐵鋰電池與傳統電池性能比較

 

技術參數 copyright 中機院機電市場研究所

鎳鎘電池 copyright 中機院機電市場研究所

鎳氫電池 內容來自中機院機電市場研究所

鉛酸電池 中機院機電市場研究所

磷酸鐵鋰電池

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工作電壓(V) 中機院機電市場研究所

1.2 內容來自中機院機電市場研究所

1.2

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2.1 中機院機電市場研究所

3.2

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質量比能量(Wh/kg) 內容來自中機院機電市場研究所

30~50 內容來自中機院機電市場研究所

50~80

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40 copyright 中機院機電市場研究所

120 內容來自中機院機電市場研究所

體積比能量(Wh/L) 中機院機電市場研究所

150

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200 內容來自中機院機電市場研究所

70

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210 內容來自中機院機電市場研究所

壽命 內容來自中機院機電市場研究所

500 中機院機電市場研究所

500 copyright 中機院機電市場研究所

400 copyright 中機院機電市場研究所

2000 copyright 中機院機電市場研究所

單位價格(RMB/Wh) 中機院機電市場研究所

3 copyright 中機院機電市場研究所

6

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1.0-1.5 內容來自中機院機電市場研究所

3-5 copyright 中機院機電市場研究所

單位價格/壽命(1000)

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6

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12

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2.5-3.75

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1.5-2.5

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環保 內容來自中機院機電市場研究所

有毒 內容來自中機院機電市場研究所

略有污染

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有毒

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無毒 中機院機電市場研究所

安全性

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優秀

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良好 內容來自中機院機電市場研究所

優秀

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    與傳統電池相比,磷酸鐵鋰電池只在價格方面處于一定劣勢,其他各項指標明顯占據優勢。但如果考慮電池壽命,磷酸鐵鋰電池的價格卻是最低的,說明磷酸鐵鋰電池性價比較高。
 

    鋰離子電池主要包括正極、負極、隔膜、電解液四部分。新能源汽車對動力電池的要求是:比能量高、比功率大、自放電少、使用壽命長及安全性好等。而其中正極材料是鋰離子電池中最為關鍵的原材料,直接決定了電池的比能量、比功率、安全性能等。因而進一步說,動力汽車的發展依賴于鋰離子電池正極材料技術的發展。
 

    目前商業化的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰四種。其技術性能比較見表2。

 

表2  各種鋰離子電池性能比較

 

類型

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指標

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鈷酸鋰
liCoO2 copyright 中機院機電市場研究所

鎳鈷錳
LiNiCoMnO2 copyright 中機院機電市場研究所

錳酸鋰
LiMn2O4 內容來自中機院機電市場研究所

磷酸鐵鋰
LiFePO4

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振實密度()

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2.8~3.0

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2.0~2.3 內容來自中機院機電市場研究所

2.2~2.4

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1.0~1.4 內容來自中機院機電市場研究所

比表面積(m2/g)

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0.4~0.6 內容來自中機院機電市場研究所

0.2~0.4 內容來自中機院機電市場研究所

0.4~0.8 copyright 中機院機電市場研究所

12~20

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克容量(mAh/g)

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135~140

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155~165

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100~115 中機院機電市場研究所

130~140 copyright 中機院機電市場研究所

電壓平臺(V) 中機院機電市場研究所

3.6 中機院機電市場研究所

3.5

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3.7 copyright 中機院機電市場研究所

3.2

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循環性能

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≥300次 中機院機電市場研究所

≥800次

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≥500次

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≥2000次

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過渡金屬

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貧乏 copyright 中機院機電市場研究所

貧乏

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豐富

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非常豐富 內容來自中機院機電市場研究所

原料成本 copyright 中機院機電市場研究所

很高 中機院機電市場研究所

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低廉

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低廉 中機院機電市場研究所

環保 中機院機電市場研究所

含鈷 中機院機電市場研究所

含鎳、鈷 中機院機電市場研究所

無毒 copyright 中機院機電市場研究所

無毒 copyright 中機院機電市場研究所

安全性能 中機院機電市場研究所

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較好

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良好 copyright 中機院機電市場研究所

優秀

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適用領域 copyright 中機院機電市場研究所

小電池 內容來自中機院機電市場研究所

小電池/小型動力電池 內容來自中機院機電市場研究所

動力電池 copyright 中機院機電市場研究所

動力電池/超大容量電源 內容來自中機院機電市場研究所


    說明:磷酸鐵鋰除了振實密度、克容量兩個指標略有不足,其他各項指標均占很大優勢,尤其是在循環性能、環保性、安全性能、原料成本及應用領域方面。
 

    相比較而言,鈷酸鋰最大的問題是安全性差(150℃高溫時易爆炸)、循環壽命短;錳酸鋰安全性比鈷酸鋰好很多,但高溫環境的循環壽命更差(500次)。磷酸鐵鋰因為高放電功率、成本低、可快速充電且循環壽命長(2000次以上),在高溫高熱環境下的穩定性高(300℃高溫以上才有安全隱患),安全性能高。因而磷酸鐵鋰是目前公認的最理想的新能源汽車動力用鋰電正極材料。 cop
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    在鋰離子電池的四大材料中,目前國產產品技術指標能跟得上進口產品的只有正極和負極材料;國內基本上還不能生產動力鋰離子電池隔膜;國產電解液產量上雖然能滿足國內市場需求,但其核心材料——六氟磷酸鋰則100%依賴進口。

 

    四大材料目前的銷售毛利率分別為:正極40%,負極20%,電解液40%,隔膜70%,六氟磷酸鋰材料70%。其中正極材料、電解液和隔膜是最核心的三種材料,占鋰離子動力電池成本的55%以上。在鋰電池成本構成中,正極材料約占20%,隔膜約占25%,電解液約占15%,負極材料約占2%。其中直接決定電池安全性能、市場容量大、附加值最高的是正極材料。
 

    目前中國內地能生產磷酸鐵鋰材料的廠家接近300家。但由于技術門檻較高,其普遍存在產能低,產品質量不過關等問題。真正能供應合格材料的主要有天津斯特蘭、北大先行等十幾家。
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    我國70%的石油用于汽車燃料,城市空氣污染物50%來自汽車排放,原油對外依存度已超過50%。而發展新能源汽車,是擺脫對石油等化石能源的依賴、保護生態環境和保障國家能源安全的戰略需要。電動汽車是新能源汽車發展的重點,動力電池又是電動汽車的核心部件。新能源汽車的發展為我國動力電池產業發展開辟了更加廣闊的空間,鋰離子電池是最具發展潛力的電動汽車車載電源,是今后各國發展的重中之重,鋰離子電池材料產業由此將在近些年里取得突飛猛進地發展。
 

    鋰離子電池主要包括正極、負極、隔膜、電解液四部分。鋰離子電池從應用上可區分為小功率應用電池(用于移動式電子產品)與大功率應用電池(汽車、電動工具動力電池、太陽能儲能電池)。國內小功率應用電池產業相對成熟,但大功率應用電池產業還處在剛起步階段。大功率應用鋰離子電池(以電動汽車動力電池為代表)四大部分國內產業狀況見表3。 c
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表3  鋰離子電池各部件產業狀況

 

名稱 copyright 中機院機電市場研究所

占電池成本(%

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毛利率

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% 中機院機電市場研究所

技術難度

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國內技術及產業狀況

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正極材料

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33 內容來自中機院機電市場研究所

40

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國內技術與國際差距不大,正處上升期,未大規模產業化。相對成熟的廠家約十家 內容來自中機院機電市場研究所

負極材料 內容來自中機院機電市場研究所

10 copyright 中機院機電市場研究所

20

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較高 copyright 中機院機電市場研究所

國內基本成熟,仍在發展。 中機院機電市場研究所

隔膜 copyright 中機院機電市場研究所

25 中機院機電市場研究所

70 內容來自中機院機電市場研究所

極高

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國內無成熟技術,產品100%進口

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電解液中的電解質 中機院機電市場研究所

15 copyright 中機院機電市場研究所

70

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極高 中機院機電市場研究所

國內無成熟技術,產品100%進口

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    在鋰離子電池四大材料中,正極材料是鋰離子電池中最為關鍵的原材料,直接決定了電池的比能量、比功率、安全性能等,因此新能源汽車的發展依賴于鋰離子電池正極材料技術的發展。
 

    鋰離子電池正極材料主要有鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、錳酸鋰(LiMn2O2)、三元LiNixCoyMnzO2、磷酸釩鋰(Li3V2(PO4)3)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)以及它們衍生出的各種摻雜型化合物。其中,鈷酸鋰價格昂貴、安全性能差,鎳酸鋰安全性能差,合成條件苛刻,錳酸鋰高溫下錳的溶解引起容量快速下降,含釩正極材料具有一定的毒性,三元材料循環性較差都不能滿足安全環保的動力電池要求。相比較而言,磷酸鐵鋰原料價格便宜、環境友好,特別是其優異的安全性和充放電循環性壽命,業內普遍認為是適合電動汽車等大功率鋰離子電池應用需求的首選正極材料。
 

    (1)磷酸鐵鋰電池的主要優勢體現在以下幾個方面:

 

    ①使用安全,磷酸根化學鍵的結合力比傳統的過渡金屬氧化物結構化學鍵強,所以結構更加穩定,并且不易釋放氧氣,磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題,磷酸鐵鋰電池是目前全球唯一絕對安全的鋰離子電池,在高溫下的穩定性可達400-500℃(且在濫用情況下釋放的熱量最少),保證了電池內在的高安全性;不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產生爆炸或燃燒。 中機
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    ②該電池壽命超長,循環使用次數高,在室溫下1C充放電循環2000次,容量保持率80%以上;是鉛酸電池5倍,鎳氫電池的4倍,是鈷酸鋰電池4倍,是錳酸鋰電池4-5倍左右。
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    ③該電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),無毒(SGS認證通過),無污染,符合歐洲RoHS規定,為絕對的綠色環保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛,在其廢棄后若處理不當,將對環境夠成二次污染,而磷酸鐵鋰材料無論在生產及使用中,均無污染,因此該電池被列入“十二五”期間的“863”、“973”國家高科技發展計劃,成為國家重點支持和鼓勵發展的項目。

 

    (2)其他優勢: co
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    ①該電池重量很輕,是鉛酸電池的1/3,鎳氫電池的63%;

 

    ②該電池體積小,商品設計可輕量化。鉛酸電池的2/3,也較鎳氫電池體積小;

 

    ③該電池單體電壓高,為3.2V,串聯少,電池組可靠性高;平臺性能:1C充放電,3.3~3.0V 平臺容量達到93%以上; 內容
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    ④放電平臺穩定,可作大電流高功率充放電高倍率放電特性:10C充放電效率達到96%以上,容量保持率90%以上,可實現10C放電;

 

    ⑤該電池自放電小;無記憶效應。可充電池在經常處于充滿不放完的條件下工作,容量會迅速低于額定容量值,這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性,而磷酸鐵鋰電池無此現象,電池可隨充隨用,無須先放完再充電; c
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    ⑥該電池快速充電特性優,2C快充,半小時充足95%;
 

    ⑦工作溫度范圍寬廣(-20℃- +75℃),有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃,而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
 

    除電動汽車外,磷酸鐵鋰正極材料在電動工具、大型蓄能電源、電動自行車、礦下蓄電池等方面也具有廣闊的應用前景。2011年,國內磷酸鐵鋰的年需求量超過1.7萬噸,而2011年國內合格磷酸鐵鋰實際產量只有1600噸左右,存在巨大的供應缺口。預計到2015年我國磷酸鐵鋰正極材料的國內市場需求量將達到10萬噸。按照磷酸鐵鋰每噸15萬元計算,市場銷售規模將超過150億元。其相關產業產值有望達到500億元。

 

    鑒于鋰離子動力電池及相關材料的廣闊發展前景,可以電動汽車關鍵組件——動力電池正極材料——磷酸鐵鋰的生產,作為全面發展新能源產業的切入及突破點,進而逐步擴展到其他正極材料、負極材料、動力電池隔膜、電解液添加劑等的生產,最后全面發展電動汽車、電動自行車、電動工具、太陽能光伏儲能等大功率應用鋰離子成品電池。

 

    因此,磷酸鐵鋰正極材料的產業化將直接帶動鋰離子電池、電動汽車及其相關產業的快速發展,如果按照其30%的毛利率來算,其市場規模以及利潤將是可喜的。
 

    在國外,鋰離子動力電池正極材料載體的鋰離子電池的發展速度比較快,國外的投資相對比較多,并且均有明確的發展方向與計劃。歐盟為鋰離子電池的研究和開發規定了一系列的計劃,如:Joule、Brite-Euram等,并為此投入了近1400萬美元;加拿大的Hydro-Quebec 和3M公司從USABC(美國先進電池協會)獲得了3300萬美元用于發展電動汽車用鋰離子電池;德國的Varta公司和美國的Duracell也為USABC從事這方面的工作,歐、美的技術當前仍處于領先地位。
 

    目前,Valence,Phostech,A123和日本的三井造船的磷酸鐵鋰已經量產,并且Valence,和A123都在蘇州建廠。但國外的供應商為了追求更高的附加值只是在做OEM,而不愿意向國內市場供應磷酸鐵鋰材料。

 

    目前,國內外已有許多公司開始進行以磷酸鐵鋰離子動力電池的工業化生產。國內以比亞迪、萬向集團、深圳比克電池、天津力神、山東潤峰、中航鋰電為代表。美國和加拿大已有LiFePO4產品,以通用汽車為代表,他們已看好亞洲這一很有潛力的大市場。磷酸鐵鋰正極材料產業化應用不僅對電池材料和電動汽車產業發展具有重要作用,對地區經濟的進一步增長也具有顯著的戰略意義和社會經濟價值。 


 

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