商业计划书—钛酸锂

1商业计划书项目：新型钛酸锂电极材料和钛酸锂电池企业：马鞍山首拓新能源科技有限公司2016 年 10 月2目录1. 项目概况 31.1 项目概况 31.2 创业机会概述32. 项目技术与产品实现52.1 项目技术方案52.2 项目产品化123. 项目产品市场与竞争153.1 市场概述153.2 竞争优势分析173.3 项目实施风险及应对措施184. 商业模式204.1 项目产品的开发、生产策略204.2 项目产品的营销策略204.3 项目产品获利方式204.4 企业发展计划215. 财务与经济效益235.1 项目投融资计划235.2 项目经济效益分析2331. 项目概述1.1 项目概述本项目专注于新型高性能锂离子电池负极材料钛酸锂的合成和钛酸锂电池的制备。采用纳米颗粒团聚造粒技术制备 5-20 微米直径的钛酸锂球形二次颗粒材料，用以提高钛酸锂负极材料的振实密度与电极涂布过程中的加工性能。同时利用体相掺杂与表面修饰，进一步提高材料的克容量、循环寿命与倍率性能。采用以上技术处理后，测试表明钛酸锂材料的克容量达到 170mAh/g，接近理论容量 175mAh/g，1C 下倍率放电性能能够超过 155mAh/g，循环寿命（80%剩余容量）超过 15000 次通过新型合成工艺和产品性能优化，综合考虑成本、连续生产能力、环保特性等因素，采用喷雾干燥和烧结技术制备出成本低、性能优异的钛酸锂材料。此外，生产装置已实现连续生产能力，提高了自动化程度与质量控制水平，为后续扩大规模生产打下了坚实的基础。采用自制的钛酸锂材料，全面优化了钛酸锂电池的制备组装全工艺流程。在电池组装过程中关键工艺参数有：浆料中各组分的比例、粘结剂与分散剂的选择（一般为 PVDF 与 NMP）、浆料混合工艺（高速剪切力机械搅拌、机械球磨等）、涂布速度与涂膜厚度、烘干方式与速率、电解液成分必选（以实现与钛酸锂的最佳匹配，发挥出电池的最佳性能）、化成程序（电压范围、电流强度、恒流-恒压模式组合、测试温度）等。所制备的 26650 单体电池、25Ah 钛酸锂电池单体及方形电池，通过了相关电池成组用户的严格测试，总体性能与日本东芝 20Ah 钛酸锂电池相当，部分性能，如低温性能优于东芝钛酸锂电池。1.2 创业机会概述进入 21 世纪以来，以锂离子电池电极材料和锂离子电池电芯生产为代表的中国新能源产业起步虽迟，但发展速度也相当迅猛。目前我国普通手机用低端方形锂离子电池已经达到了产销平衡，但缺乏用于笔记本电脑、摄像机和第三4代移动通讯设备等的高档锂离子电池的批量生产能力。按照锂离子电池目前所处发展阶段，其主要市场在便携式电子设备与电动交通工具领域。从著名的锂离子充电电池市场分析机构日本信息技术综合研究所（IIT）披露的数据来看，2013 年，我国锂离子电池行业（包括锂离子电池、设备、材料）规模持续扩大，全球市场份额稳步提升，全行业销售收入超过 860 亿元。根据专家预测，近期内全球小型锂离子电池的需求量将会扩大到上百亿只，对应着上千亿元的市场规模。今后数年内锂离子电池最大的市场需求仍来自为 IT 产业提供配套（手机 57.4%，笔记本电脑 31.5%，其他 11.1%）以及电动交通工具。本项目开发的钛酸锂材料及钛酸锂电池具有以下独特的技术优势，（1）低成本优势，目前，销售的高性能钛酸锂材料价格在 15-20 万元/吨，传统方法采用的工艺流程和原材料，成本高达 10-12 万元/吨。本项目采用价格低廉、来源广泛的工业级原料，并简化工艺流程，使得生产成本大大降低。（2）倍率性能优异，钛酸锂电池在 1C，2C，4C 下容量接近一致，具有优异的倍率性能，在10 分钟（即 6C）的快充条件下，电池可以充至 90%。（3）循环寿命长，在 4C快充下，循环 2000 次，容量衰减不超过 10%，拥有出色的长寿命。（4）高低温性能优异，在-20下，放电容量仍然维持常温容量的 90%以上，在 60下，放电容量维持常温容量。由于具有以上优越的成本优势和性能优势，项目具有很强的总体竞争优势和盈利空间。52. 项目技术与产品实现2.1 项目技术方案2.1.1 项目总体技术概述锂离子电池是一种可反复充电的蓄电池，由具有可重复嵌入/脱嵌锂离子的材料做正极与负极，多孔高分子薄膜作为隔离膜，并浸入含有锂盐的电解质溶液中构成一个基本电池单体（Cell）。多个单体通过串联或并联方式构成电池组（Battery），以提供满足需要的输出电压与电流。其基本工作原理是：放电过程中，锂离子从负极材料中释放出来进入电解质溶液；电解质溶液中的锂离子在电场作用下迁移至正极，然后嵌入正极材料内部。与此同时，负极材料失去的电子经由外电路穿过负载做功后到达正极。因此，放电过程中，在正极发生还原反应（阴极），在负极发生氧化反应（阳极）。充电过程需要在正负极间施加一个合适的电压，是放电过程的逆过程。在锂离子电池中，负极材料与正极材料一样，都是对锂离子进行电化学储存的部分。锂离子电池通过锂离子在负极材料中可逆的嵌入与脱嵌过程，实现电能的存储与释放。 目前商业化的锂离子电池负极材料多采用各种碳材料，包括天然石墨、人造石墨、焦炭、中间相炭微球、热解碳材料等，锂离子存储容量理论上为 200 372 mAh/g。由于碳电极具有较低的放电平台（0.5V vs. Li/Li+）、容量高、充放电效率高等优点，自从 1990 年 Sony 公司开发碳材料作为负极的锂离子电池以来，碳材料性能不断改善，目前得到了广泛应用。然而，碳材料作为锂离子电池负极材料仍存在一些缺点：如嵌锂后电极的电位与锂金属的电位很接近（例如：石墨的电势小于 0.1V vs. Li/Li+），在电池过充时，金属锂可能在碳电极表面析出而形成锂枝晶，从而引起短路；此外，大多数电解液在此低电位下不稳定，电解质容易在碳电极表面发生分解，产生可燃气体混合物，存在安全隐患；碳电极中锂离子的嵌入将引起 10%的体积膨胀，导致颗粒间不联系，引起电极/电解质及电极/汇流体界面的松散与剥落，严重缩短了电池的循环寿命。以上这些情况表明，碳负极材料的发展已经遇到瓶颈，很难取得进一步的突破，无法满足未来电池长寿命、高稳定性、安全环保的要6求。因此，研究者们在逐渐认识到这一点后，纷纷开始了新型负极材料的开发。钛酸锂的分子式为 Li4Ti5O12，具有尖晶石结构，上世纪 70 年代被作为超导材料进行了大量研究。上世纪 80 年代末钛酸锂被作为锂离子电池正极材料进行研究，但因为其相对于金属锂的电位偏低而未能引起人们的广泛关注。直到1996 年，加拿大研究者 K. Zaghib 首次提出可以采用钛酸锂作为负极与高电压正极组成锂离子电池、与碳电极组成不对称超级电容器的概念。此后，一些日本学者也在相关领域开展了探索性工作，但针对钛酸锂作为锂离子二次电池负极材料的大规模研究却始于上世纪末、本世纪初。由于钛酸锂优异的电化学性能，许多研究者和公司致力于将其工业化。国际上在动力锂电池应用方面，目前已使用尖晶石(Spinel)结构之钛酸锂作为负极；钛酸锂材料结构稳定，充放电所导致的体积膨胀非常小，不到 0.2%，即使反复充放电，晶体结构也不容易发生变化，因此循环寿命极优。此外，钛酸锂电位为 1.5V (vs. Li)，不会和电解液反应形成固态电介质界面，电池内阻抗不会上升。并且由于阴极不会发生树枝状结晶 ，所以电池单元不会因发热而发生事故，适合大电流快速充电，可作为高功率快速充放电锂离子电池的负极材料。新时代快速充放电锂离子电池除了可作为 3C 可携式电子产品之电源外，未来更可作为电动车、混成动力车、电动工具、电动自行车、电动机车及机器人之动力来源，极具市场潜力。从目前现有的钛酸锂材料技术水平来看，多集中于颗粒纳米化与碳包裹的研究，以期提高倍率性能。然而，从根本上提高材料电子传导性能的体相掺杂，以及面向产业化应用需求的结构形貌控制、加工性能的改进等，近年来才逐渐被人们所意识到，而这也正是本项目的技术先进性优势。项目创新内容包括针对微米二次粒子的组装技术，行业现有技术方案如下：（1） 微乳液法（Water/Oil）微乳液法制备球形纳米颗粒是近年来发展起来的微米级别颗粒的合成方法。微乳液由水、油和表面活性剂组成的热力学稳定体系，其中水被表面活性剂单层包裹形成微水池，分散于油相中，通过控制微水池的尺寸来控制超微颗粒的7大型，因为在微水池生成的颗粒的粒径可被水滴的大小有效控制。该工艺的优点是：产品球形度好，堆积密度大，尺寸分布较均匀。缺点是：需要消耗大量的煤油介质，成本较高；如循环使用煤油介质，还需要额外添加回收利用装置，进一步增加了成本。此外，制备单位质量的钛酸锂消耗的煤油量过多，经济性有待进一步提高。（2） 醇液聚合法醇液聚合法类似于微乳液法，也采用非水溶剂。一般情况下，经历一个溶胶-凝胶过程：钛酸酯首先溶解于丁醇或异丙醇中，并加入羟丙基纤维素等作为空间位阻剂，控制二氧化钛颗粒的生长速度与表面形貌。一般采用四氯化钛作为钛源，水作为水解剂。该工艺的优点是：得到的二氧化钛球形度极好，且呈单分散，粒径分布小。缺点是：制得的颗粒尺寸较小，一般仅有 1 微米左右，与锂离子电池电极制备所需要的最佳尺寸（10-20 微米）差距较大，进一步提高颗粒尺寸难度较高；此外，反应工艺控制较为复杂精细，规模化难度较高。（3） 喷雾干燥法喷雾干燥技术已有近百年发展历史，目前在制药、生物、食品加工、染料合成、水泥制备、陶瓷等氧化物生产上已经获得了相当广泛的应用。其基本工艺是：固体微粒分散在溶剂中（一般为水），加入适当的添加剂得到稳定的浆料。浆料经机械泵输送至喷嘴（或离心盘），在高速气流的冲击下雾化成几十至几百微米的液滴，并在热空气吹动下在干燥室内运动。由于分散的液滴表面积很大，可以与热空气充分接触，故液滴干燥时间极端（一般小于 1 秒），干燥充分。在蒸发过程中，液滴由于表面张力作用收缩成球体，待溶剂干燥后，形成固体微球。喷雾干燥法制备微米球的优点有：成本低，可连续生产；温度较低，处理时间短，故能量消耗少；适用的前躯体类型广泛，从生物活性物体至氧化物陶瓷材料，均可在处理成浆料后进行喷雾造粒；采用不同的喷雾干燥机，并适当调节浆料固含量、进出口温度、进料速率等参数后，可以得到尺寸与分布不同的微球，操作弹性大；使用的溶剂是水，故其蒸汽可直接排放至大气，对环境无毒无害，节省了环保与后处理设备的投入。该工艺的缺点是：需要根据不同前躯体制备合适的浆料，因浆料特性对产物颗粒质量影响很大；此外，需要进行一系列实验来确定喷雾干燥机的各种操作参数，特别是在中试放8大试验中。从以上三种微球制备工艺的比较中，可以看出，在综合了成本、连续生产能力、环保特性等考察因素后，喷雾干燥法是最佳工艺选择。本项目组结合喷雾干燥技术及砂磨技术，使钛酸锂的振实密度由目前的 1.0g/cm3，提高到1.35g/cm3。大大提高了钛酸锂材料的可加工性及大幅降低了生产成本。2.1.2 项目技术开发可行性国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析： 由于钛酸锂优异的电化学性能，许多研究者和公司致力于将其工业化。日本的二氧化钛生产商石原产业公司开发出了作为锂离子电极材料的高性能钛酸锂，具有优异的粉体特性和涂布性能。由于采用湿法工艺合成，虽然材料组成均匀、性能优异，但生产成本较高。美国 EnerDel、Altair 及日本 Toshiba 等公司均已宣布成功开发负极使用钛酸锂，正极使用锰酸锂，平均工作电压 2.4V 之动力锂离子电池。位于美国内华达州的 Reno 市的 Altair Nano 公司于 2003年公布了钛酸锂纳米晶体制备工艺的专利。由于具有超大的比表面积（ 100 m2/g）与凸凹不平的电极表面，用该材料制作的电池循环寿命超过 20000 次，而且充电时间仅 5 分钟。然而，过大的比表面使得材料的密度较低，电极涂布加工工艺复杂，增加了后续电池制造的成本。在正极材料向高安全性方向发展的过程中，日本东芝公司侧重负极材料，开发出了新型的 SCiB 电池，采用钛酸锂作为负极材料，实现了循环次数 6000 次后，容量保持率仍高于 90%，而且倍率性能与低温工作特性良好。此外，SCiB 能在 5 分钟内快速充电达 90% ，研发目的主要为供应工业使用，如机车、电动车及叉架起货机等机具。Toshiba从 2008 年 3 月开始量产，首先上市由 10 个单元串联而成 24V 的标准模组系列。 在 2007 年初 CES 展览中，Toshiba 也展示了可快速充电的笔记型电脑。近年来国内一些公司也开展了钛酸锂材料的研发，例如比亚迪、苏州星恒、深圳贝特瑞、深圳天骄科技与天津巴莫等，然而其电化学与加工性能等相比国外同行还存在一定的差距。国内高校与科研院所近年来在钛酸锂材料的科研工作也逐渐活跃起来，其中以清华大学、中科院上海硅酸盐所、天津大学化工学院、复旦大学等研究较为集中，成果较多。从目前现有的钛酸锂材料技术水平来看，9多集中于颗粒纳米化与碳包裹的研究，以期提高倍率性能。然而，从根本上提高材料电子传导性能的体相掺杂，以及面向产业化应用需求的结构形貌控制、加工性能的改进等，近年来才逐渐被人们所意识到，而这也正是本项目的研究重点。本项目将专注于高振实密度、高倍率钛酸锂材料的制备，以及超级电池组装与电化学性能测试。具体如下：（1）开发微米球造粒工艺并实现工业化生产。该环节的核心技术是喷雾造粒工艺。首先在之前的实验室阶段，已确定最佳喷雾干燥机类型，通过参数比选确定气流式、离心式、压力式中的一种或多种合适的喷雾干燥机，并结合流化床系统进一步降低产品颗粒中的含水率。使用的喷雾干燥机是从市场上成熟的标准设备，喷雾造粒工艺重点需要考察的参数主要有：进料速率、进口温度、出口温度、压缩机气流速度、干燥室长径比、喷头尺寸与位置（气流式）或旋转盘尺寸与转速（离心式）。此外，用于进料的前躯体浆料得配制技术对喷雾干燥过程及得到的产物质量也有着至关重要的影响。因此，摸索出最优化的浆料制备工艺也是本项目的重要技术保障。浆料制备工艺的研究重点是：固含量、分散剂种类、添加剂种类与浓度、混料与分散过程工艺（高速剪切力机械搅拌、机械球磨、超声分散等）、粘度调节等。在本环节，锂源与钛源在浆料制备过程中即实现混合，故喷雾造粒后得到的产品即为钛酸锂前躯体，从而实现了纳米级别的高效混合。此外，从锂源选择上，考察了碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、硝酸锂等不同化合物，研究其在悬浊液或溶液状态下，在喷雾干燥过程中的干燥速率及与钛源的相分离趋势，从而确定了最佳锂源。（2）制订钛酸锂烧结工艺流程。喷雾造粒后得到的锂钛前躯体虽然实现了纳米级别的锂、钛元素混合，但由于存在相分离，因此并无电化学活性，需要进一步的高温固相化学反应使其转化为钛酸锂。在试生产阶段，采用连续性辊道炉，反应温度控制在 800 1000oC，一般采用空气气氛。该过程重点考察了煅烧温度、停留时间、粉体放置方式（面积、厚度）、气氛（氮气等惰性气氛用于进行钛酸锂的表面碳包裹）、气体流量与气流分布、单位炉体积可烧成10的钛酸锂质量等参数。试生产过程中，还重点考察了工艺参数稳定性、样品批次稳定性、钛酸锂电化学等理化性能的可重复性，并严格质量控制来实现钛酸锂生产的可靠性。（3）电池组装与钛酸锂材料理化性能测试。在材料性能稳定后，电池组装工艺的好坏直接决定了电池产品的使用性能。电池组装过程主要包括：浆料制备、涂布、烘干、剪裁、卷