鋰電池的發展概述(1)

發佈日期: 2011 年 07 月 11 日 10:36 | 作者: | 分類: 綠能知識

 1 什麼是鋰離子電池

鋰離子電池(LithiumIon Battery,縮寫為LIB),又稱鋰電池。鋰電池分為液態鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)2類。其中,液態鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。電池正極採用鋰化合物LiCoO2或LiMn2O4,負極採用鋰 -碳層間化合物。

鋰電池是迄今所有商業化使用的二次化學電源中性能最為優秀的電池,這也是促進鋰電池用於電動助力車的一個關鍵因素。

1.1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,其市場消費感覺很好。

1.2循環壽命長

鋰電池用於電動助力車的循環壽命一般在800次以上,採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。

1.3具有較寬的充電功率範圍

這是鋰電池具有的獨特優勢。在需要時,可以使充電時間控制在20~60min,充電效率達到85%以上。在進一步技術創新的基礎上,這一特性得到更好的發揮,可以具有很好的商業價值。

1.4倍率放電性能好

鋰電池的倍率放電可以達到10倍率以上,特殊製作可以達到30倍率。這一特性非常有利於電動助力車的智能控制騎行技術的發展。只是目前對這一特性尚未有很好的開發與利用。

我國鋰離子電池產量全球第一,生產量佔世界總量的1/3以上,100多家鋰電生產企業對鋰離子電池材料需求殷切,不少廠商都計劃在今後2年內把產量大幅提高。目前,中國鋰電製造企業形成了液態鋰電池以比亞迪為首,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研發到大規模生產的全過程,並且迅速走到了這項技術的最前沿。TCL生產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,聚合物鋰電比液態鋰電具有優勢。

2 鋰電池的原材料

鋰離子電池由正負電極、電解質、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,新材料的發明促使電池質變。可以預見的是,採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。

磷酸鈷鋰由於鈷價高昂而被放棄;磷酸錳鋰相較於磷酸鐵鋰,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都採用磷酸鐵鋰電池。隨著錳酸鋰和磷酸鐵鋰等極具發展前途的正極材料的技術進步,其在動力電池領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。貝特瑞在國內擁有40多項鋰電池正負極材料專利,2008年銷售額1.8個億,淨利潤3000萬,預計2009年全部銷售額4億~5億元,2010年8億~10億元,同比保持100%歷史增速。

2.2負極材料

目前業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,目前還不能應用於LIB的生產。例如無序炭儘管放電容量很大,但不可逆容量也很大,而且電位滯後現象嚴重,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」,不像石墨材料那樣在低電位處有一個電位平台。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、放電電位平台高。鋰一過渡金屬氮化物則由於其對空氣濕度的敏感,因此實際應用仍受到限制。至於鋰合金材料則因在合金化過程中體積膨脹率太大,致使電極材料在反覆充、放電時粉化、導電網絡中斷,因此循環性能很差。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。

2.3電解液

電解液是鋰電池四大關鍵材料之一,號稱鋰電池的「血液」,是鋰電池獲得高電壓、高比能等優點的保證;作為鋰離子電池必需的關鍵材料,鋰離子電池電解液的發展取決於鋰離子電池的發展。鋰電池電解液是由六氟磷酸鋰(LiFL6)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,且質量較好。我國是繼日本之後成為全球第二個產業化六氟磷酸鋰的國家,國內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能生產。

2007年,江蘇國泰鋰電池電解液的產量為2490t,已經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能最大的3家企業。江蘇國泰的鋰電池電解液業務已經佔營業利潤的30%,發展成為公司利潤新的增長點。而2009年公司新增產能投產後,華榮化工鋰電池電解液的產能將達到3000t/年。

巨化股份擁有六氟磷酸鋰全套生產技術,並供應六氟磷酸鋰上游原料無水氟化氫,巨化股份公司網站和巨化股份在浙江衢州統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業鏈,巨化股份正迎來機遇。

 據估算每輛新型動力汽車需碳酸鋰約為30kg,假設2009年起全球新增1%的乘用車使用鋰電池,此後逐年遞增1%。按2007年全球產銷規模約 5000萬輛為基數,依此推算,每年新增碳酸鋰需求將達數萬噸。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,市場規模的急劇擴大,將給現有碳酸鋰生產企業帶來革命性變化。

2.4隔離膜

隔離膜材料佔鋰離子電池成本的1/3左右。鋰離子電池隔離膜一般採用聚丙烯(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,而將其加工成隔膜後,其價值可達到300萬元/噸,大幅升值幾百倍。

2.5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,現已出現手機鋰電池爆炸致人傷亡的案例,經常出現IT和手機廠家召回鋰電池產品的事件。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,通過保護環路有效監測並防止對電池產生損害,防止過充、過放和短路造成的燃燒、爆炸等危險。由於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,專業的微電子生產商士蘭微集團是生產「鋰電池保護電路芯片」的龍頭企業,公司生產的鋰電池保護用集成電路,可比日本理光的產品媲美,而價格卻低得多,市場潛力很大。

由於鋰離子電池能量密度高,因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態下,電池溫度上升後能量將過剩,於是電解液分解而產生氣體,因內壓上升而產生自燃或破裂的危險;反之,在過度放電狀態下,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。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。士蘭微已開發了SA1412型號雙節鋰電池保護電路、SA45141型號3節或4節鋰電池保護電路、SC8261G型號單節鋰電池保護電路、SC121型號內置延時電容單節鋰電池保護電路、 SC8201型號單節鋰電池保護電路、SC8821型號內置MOSFET的單節鋰電池保護芯片,其中SA1412是鋰電池保護用集成電路。當鋰電池處於過放電、過充電以及過電流時,對鋰電池起到保護作用。SC8821是內置MOSFET的單節鋰電池保護芯片,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。

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