鋰電池的發展概述(2)

發佈日期: 2011 年 07 月 11 日 10:39 | 作者: | 分類: 綠能知識

3 鋰電池發展的障礙

鋰離子電池也存在許多缺陷:循環壽命短,充電電路複雜,對電池內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%,其丰度在各種元素中居第27位。海水中鋰的總儲量達2600億t,但濃度太小,提煉困難。世界鹽湖鋰資源主要分佈 在智利、阿根廷、中國及美國。花崗偉晶岩鋰礦床主要分佈在澳大利亞、加拿大、芬蘭、中國、津巴布韋、南非和剛果。印度和法國也發現偉晶岩鋰礦床,但是不具 有商業開發價值,目前世界上只有少數國家擁有可經濟開發利用的鋰資源。

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,今後用鋰電池替代汽油的話,也滿足不了全部需求,因為這相當於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)等化學物質會對環境造成有機污染。其含有的鈷等重金屬元素,也會對環境會造成危害,尤其是鈷,含量相對較 高,屬於稀有貴重金屬,具有很高的回收價值。雖然鋰電池本身的污染並不嚴重,但鋰金屬在提取冶煉過程中,對環境的污染不亞於汽油產生的污染。金屬鋰的工業 生產方法主要有熔鹽電解法和真空熱還原法。熔鹽電解法系採用氯化鋰為原料,在熔融電解槽內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,向陰極移動並放電,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生氯氣污染嚴重,且產品質量不易控制,生產成本高。

3.3安全問題

專家認為,市場上多半使用的高容量鋰電池由於化學成分的不同,在發生質量問題時,容易出現爆炸傷人事故。而相對安全的是鎳氫和鎳鎘電池。鋰元素過於活躍, 它使用時不太安全,經常會在充電時出現燃燒、爆裂的情況,後來經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。

在鋰電池發展過程中,因為採用的正負極材料及其配方不同,出現過爆炸、燃燒等不安全現象。主要是負極採用金屬鋰,經循環後產生枝晶,致使短路,出現燃燒爆 炸;而正極材料採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,一旦出現高溫,容易發生爆炸燃燒。儘管實際發生的概率在十萬分之一或百萬分 之一以上,但由於以手機及筆記本電腦等為主的電子消費品數量極大,使用範圍極廣,因此累計發生的安全事故絕對數量使人們感覺很多。由於這些電子消費品是人 們日常生活相伴,不可或缺的用品,一旦發生安全問題,影響很大,致使人們「談鋰電池色變」。這種在電子數碼產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,一旦出現其安全保護芯片失效的故 障,後果是不堪設想的,輕則出現電池內部氣體積聚引起電池體漲鼓現象,重則可能因為發生電池內部短路等等異常而導致電池爆炸的悲劇發生。

3.4成本問題

相對於鉛酸蓄電池,鋰電池用於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模替代鉛酸蓄電池用於電動助力車的關鍵。

鋰電池的正極材料、負極材料、集流體、隔膜、電解質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成本則是鉛酸蓄電池幾乎沒有的。雖然鋰電池 由於能量遠高於鉛酸蓄電池,因此單位功率的原輔材料成本並沒有表現出來的成本差距那麼大,但是二者的材料成本差距確實存在,而且差距以倍數計。由於製作工 藝的原因,鋰電池的人工成本比較高。在製造成本中,鋰電池的人工成本佔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。鉛酸蓄電池使用之後的回收價值在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2種形式,混合動力電池目前多採用鎳氫材料,但由於鎳氫電池的一些技術性能已經接近理論極限值,因此並不被認為是未來 的發展方向。相對而言,鋰離子電池由於工作電壓高、體積小、質量輕、能量密度大、無記憶效應、無污染、自放電小、循環壽命長,得到廣泛的認可。

自從商業化以來,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於手機、數碼相機、手提電 腦等電子產品以及礦燈,約佔鋰離子全部使用量的90%;已經獨霸手機和手提電腦等高端市場,成為各類電子產品的主力電源。電子產品、礦燈等用鋰電池的需求 將保持每年10%的穩定增長。

目前開發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業巨頭一汽集團合作,重點開發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3種車型,並在長春和無錫生產基地投產,計劃2009年大批量生產。安裝「雷天」鋰離子動力電池的大客車,充電20min即可以 130km時速行駛300km左右路程,而每行駛100km耗電僅18度。日本及海外汽車廠商紛紛開始在乘用車上採用鋰離子充電電池。在日本國內廠商中, 豐田汽車、富士重工業、三菱汽車已經決定採用,而在歐美,戴姆勒也表示採用。德國奧迪、美國通用汽車也準備在 2010年採用。

在目前的混合動力汽車及未來的電動汽車改採用或將採用的電池中,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,隨著鋰電池技術的提高,以及大規模製造導致成本降低,未來有可能替代鎳氫產品成為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化的角度看,更現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 際驗證並被商業化、規模化的電池體系,全球已經批量生產的混合動力汽車全部採用鎳氫動力電池體系。

現有混合動力電池99%的市場份額為鎳氫動力電池,商業化的代表是豐田的普銳斯。預計,到2020年前,非鎳氫混合動力電池的佔有市場份額不到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品。

有關專家曾樂觀地預期,至2016年鋰離子電池市場總產值有望挑戰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,並將在人造衛星、航空航 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佈以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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