動力鋰電池四大技術難關

發佈日期: 2012 年 10 月 11 日 0:00 | 作者: | 分類: 綠能知識

目前由於製造成本太高,國家正在對電動汽車進行高額補貼。電動汽車之所以成本高,最主要的原因是鋰電池的成本太高,其成本已超過整車的三分之一。而鋰電池成本高的原因與其涉及的化工材料密切相關。

正極材料

鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳錳鈷三元材料及磷酸鐵鋰等。其中,磷酸鐵鋰由於具有另外幾種材料所不具備的迴圈壽命、安全和材料成本方面的潛在優勢,而被業界看作理想的正極材料。目前存在的問題,一是主要原料電子級碳酸鋰(碳酸鋰含量在99.5%以上)大部分來自進口,二是磷酸鐵鋰生產技術也來自國外。

據瞭解,電子極碳酸鋰可由鋰礦石或鹽湖中提取出碳酸鋰再提純而來。我國鋰資源居世界第二,但由於技術問題,國內礦石提取碳酸鋰再提純為電子極碳酸鋰的產量很低。鹽湖提取電子級碳酸鋰目前還沒有產品問世。所以只能從國外大量進口電子級碳酸鋰。因為進口量大,導致國內企業基本沒有定價權,完全由國外廠商說了算。

在技術上,我國磷酸鐵鋰發展本來與國際基本同步,但國內尚未誕生真正的領軍企業,行業缺乏原始創新技術。目前,國際上在磷酸鐵鋰電池行業處於領先地位的企業主要有3家,分別是美國的高博(A123)公司和威能(Valence)公司以及加拿大的佛斯泰克(Phostech)公司。磷酸鐵鋰技術在國外被看作戰略性技術,美國、加拿大等政府為此不惜以國家的力量參與技術壁壘的建立。

在磷酸鐵鋰材料領域,有兩大核心技術專利,其中一個是包敷碳技術,另一個是碳熱還原技術。前者由加拿大佛斯泰克公司擁有獨家使用權,並且已經在我國申請專利。後者的專利權由美國高博公司所有,目前尚未在我國申請專利,但是該公司現已在蘇州成立了2家公司,分別負責磷酸鐵鋰材料的生產和電池製造。磷酸鐵鋰電池方面的核心專利被幾家外國公司掌握,外國公司專利轉讓至中國企業將會面臨高昂的專利許可費,對該產業構成巨大的潛在威脅。

要想擺脫在產業鏈中低端、被動的地位,就要從三方面努力:一是通過技術研發從而加快國內磷酸鐵鋰專利申請。二是圍繞國外企業的核心專利在週邊進行佈局。三是加強電池結構設計、電池組合控制方面的研究。

電解液

電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導電子的作用,是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配製而成的。

鋰電池主要使用的電解質有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。但用高氯酸鋰製成的電池低溫效果不好,有爆炸的危險,日本和美國已禁止使用。而用含氟鋰鹽製成的電池性能好,無爆炸危險,適用性強,特別是用六氟磷酸鋰製成的電池,除上述優點外,將來廢棄電池的處理工作相對簡單,對生態環境友好,因此該類電解質的市場前景十分廣泛。

目前電解液配套基本已實現國產化,但軟肋是占電解液成本約一半的電解質六氟磷酸鋰,國內基本沒有企業能夠生產。

目前六氟磷酸鋰市場被幾家日本企業如關東電化學工業、蘇特瑞克秘法

(SUTERAKEMIFA)、森田化學等壟斷。全球六氟磷酸鋰產能在4000噸/年左右。日本這3家廠商其產能在3430噸/年,占全球產能的85%左右。我國天津金牛電源材料有限責任公司目前的產能只有250噸/年,並且不對外出售。國內電解液生產廠家所用的六氟磷酸鋰主要從日本和德國進口。

出現這一狀況的的主要原因是六氟磷酸鋰的技術門檻相當高。六氟磷酸鋰要求純度高、水分低,但由於產品本身極易吸潮分解,因此生產難度極大,對原料及設備要求苛刻,屬於典型的高科技、高危生產環境、高難生產的‘三高’技術產品。六氟磷酸鋰的三大主要原料是五氯化磷、無水氫氟酸和氟化鋰,其中又以後兩者的生產難度最大,需要國內企業在生產工藝上取得突破。

隔膜

隔膜在鋰電池中起著防止正、負極短路的作用,並在鋰電池充放電過程中提供鋰離子運輸通道。簡而言之,隔膜就是一層多孔的塑膠薄膜。但它直接影響了電池的容量、迴圈性能以及安全性能。在鋰電池的部件中它是技術含量最高的,占鋰電池成本的20%~30%。而目前我國80%的鋰電池隔膜依靠進口。

膜技術含量高的原因在於它的造孔工藝難度大。目前國際上隔膜的主流產品是經橫向和縱向精密拉伸的單層聚丙烯(PP)納米微孔膜、單層聚乙烯(PE)納米微孔膜、PP/PE/PP三層複合納米微孔膜等類型。以雙向精密拉伸法來生產PE、PP隔膜,是一個多步驟、複雜而精密的加工過程,包括吹塑、流延制膜、連續精密拉伸等多個重要環節。國產隔膜在厚度的均勻度和孔的均勻度上與國外存在很大差距。目前國際和國內市場基本被幾家實力強大的國外廠商掌控,如美國的卡爾格德(Celgard)、恩特凱(Entek),日本的旭化成、東燃等。

國內許多企業都在嘗試突破國外技術壁壘,開發鋰電池隔膜,但難度較大。難度主要體現在以下3個方面:一是傳統製備隔膜工藝的相關專利基本被美國和日本的少數企業所壟斷,我國在生產技術方面缺乏自主智慧財產權;二是國內企業在生產隔膜的關鍵技術方面特別是產業化技術方面較為欠缺,很多企業在小試時往往能夠拿出較好的樣品,但大規模生產時產品的一致性較差;三是我國在新工藝、新方法的研究方面與國際同步,但新的工藝往往對設備和工藝程序控制要求較高,我國的精密加工設備基礎比較薄弱,限制了產業化。

儘管難度大,但是國產隔膜已經開始起步。現在國內一些企業在國產化方面已取得了一些技術突破,如深圳市星源材質科技股份有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、河南新鄉格瑞恩新能源材料股份有限公司等,這些公司都已生產出具有自主智慧財產權的鋰電池隔膜,但目前大多是供應中、低端市場,還需要膜技術的進一步成熟。

隨著新能源汽車的逐漸推廣,到2012年,預計新能源汽車將令鋰電池隔膜的需求量翻10倍。解決了隔膜的國產化問題,不僅對鋰電池行業,對整個電動汽車行業發展都將具有革命性的意義。

負極

負極材料技術含量比較低,一般用石墨做負極,是國內鋰離子電池四大關鍵元件中唯一實現產業化的材料。

國內企業在技術含量低的領域,做得頗有成就。深圳貝特瑞新能源材料有限責任公司、上海杉杉科技有限公司等已經躋身世界級公司。其中,深圳貝特瑞市場佔有率已居全球第二。客戶包括松下、三星、日立、比亞迪等130多家廠商。

但是,石墨負極材料雖成功商品化,可由於碳作為負極總是存在一些難以克服的弱點,未來肯定要被非碳材料取代。因為石墨在電解液中會形成鈍化膜,該膜雖可傳遞鋰離子,但會引起能量的損耗。而且當電池過充電時,石墨負極表面會析出金屬鋰從而引起電池短路。隨著溫度的升高,嵌鋰狀態下的石墨負極將首先與電解液發生放熱反應,有可能會生成易燃氣體,發生燃燒。所以石墨不是最理想的負極材料,尋找性能更為良好的非碳負極材料是鋰離子電池研究的重要課題。

儘管當前人們廣泛研究了各種非碳負極材料,特別是近年來納米結構的非碳負極材料如錫的複合氧化物、鈦氧化合物及鈦酸鹽類化合物等,受到許多鋰電工作者的關注,但是這些材料還有許多問題沒有解決,仍然無法大量應用,還需要生產路線和工藝的不斷改進。

announcements 線上投稿     mail 列印
Share