计划专家谈全球锂离子动力电池的发展潜力

中国国家“863”计划专家谈全球锂离子动力电池的发展潜力7月1618日于北京举行的“第十六届中国电动车辆学术年会暨第二届电动汽车产业发展战略研讨会”上，中国国家“863计划”动力电池测试中心主任王子冬从市场和技术层面全面分析了全球锂离子动力电池的发展潜力。他指出，全球锂离子动力电池市场正处于一个重大转型期，在电动车（EV）市场需求带动下，预计该市场规模在未来5年内将超过2000亿元人民币。 王子冬首先以日产绿叶（Leaf）电动车为例，介绍了锂离子动力电池的市场需求情况。该车将于2010年秋季上市，并计划在2010年生产5万辆，2012年生产20万辆。以锂离子动力电池产量来看，每辆绿叶的电池容量为24kWh,20万辆的容量相当于48亿kWh。这是目前全球手机锂离子电池30亿kWh市场的1.6倍。即一款汽车就可以完全改变整个市场状态。目前，全球主要汽车制造商都已宣布要大规模生产采用锂离子电池的电动车，而日产只是其中一家而已。 诱人的行业前景吸引了业内外大量投资 王子冬指出，电动汽车的量产为锂离子电池产业带来了重要的发展机会。按照上述测算，几年之内，锂离子动力电池市场将超过全球手机锂离子电池市场的规模。这种改变将引发相关制造设备和厂房的新一轮投资，同时，众多新进入锂离子动力电池及材料的厂商将使相关领域的技术竞争更趋激烈。 受到诱人行业前景的吸引，很多来自不同行业的厂商将目标定位在电动汽车市场，欲在锂离子动力电池商机中分一杯羹。 例如，索尼在2009年11月进入了电动汽车和大容量蓄电池领域，并表示未来几年内将在量产设施上投资1000亿日元。三洋电机将在2015年前投资800亿日元，松下也准备在2012年前投入1230亿日元。另外，三菱重工在其长崎造船厂也投资了约100亿日元建立实验基地，准备从2010年开始年产66MWh容量的锂离子动力电池。 针对动力电池领域，LG化学公司投资了约10亿美元；三星SDI和博世共同成立的SBLiMotive也投资了6亿美元。美国陶氏化学和韩国KokamEngineering及其他合作伙伴成立了合资公司，投资6亿美元，计划针对电动车和混合动力车年产约6万块的锂离子动力电池。 据王子冬介绍，中国的比亚迪和天津力神计划将动力电池生产容量提升至10亿Wh。近期全国在动力电池方面的投资总额约为22亿美元。 锂离子电池的应用市场将从手机转向电动车及智能电网领域 王子冬给出的一系列数据表明，电动车市场规模将从2009年的250亿日元，激增至2010的3000亿日元，并将在2012年超过便携式电子产品市场，达到15800亿日元。2014年将达22500亿日元。从上述数据可以看出，市场在5年内将增长90倍。 他接着分析表示，电动汽车中的锂离子电池容量比手机中的高出几个数量级。例如，目前手机中的锂离子电池容量约为2-3Wh，而单一混合动力车电池组的容量约为1kWh，约为前者的500倍；电动车为20kWh，是前者的近1万倍。 如果锂离子动力电池实现规模化量产，价格将会大幅下降，预计将在2015年降到约人民币3750元/kWh，这时将有条件进入铁路运输和工业设备领域。 随着市场规模进一步扩大，当价格降到约人民币3750元/kWh时，锂离子充电电池可考虑作为常备电池储存电能，从而进入成本敏感型市场。 另外，在太阳能和风能等可再生能源发电领域，大容量锂离子电池可储存电能，以保证电网稳定供电。而对于这种应用，目前只有硫化钠电池一种产品。 综上所述，大容量锂离子电池的应用相当广阔。2015年后，甚至可以进入公共建筑和家庭。 中国电网公司也在积极开展10MWh级的锂离子电池储能系统的试验项目。 提高锂离子电池能量密度为了满足电动车等市场对锂离子电池的需求，首先要研发新材料，以提升电池能量密度。近期目标是120Wh/kg，远期目标是 500Wh/kg。 全球各电池厂商已经对阴正极、负极材料、隔膜与电解质等关键元件做出选择。通常，厂商们选择的是日本厂商开发的材料。 据王子冬介绍，日立制作所与日立车辆能源于2010年1月开发出了插电式混合动力车的锂离子动力电池，能量密度为120Wh/kg，在SOC为50%时，输出功率密度为2400W/kg。 在开发中，为了提高能量密度，调整了原来电池中的电极活性物质成分和电极厚度。为提高输出功率密度，将导电材料碳调整为电流易流通的材料，降低了电极的内部电阻。电池容量达25Ah，正极采用了锰（Mn）类材料，负极用的是碳材料。隔膜材料用耐热陶瓷取代了原来的聚乙烯，保证隔膜在200高温下不会收缩，并可防止正负极短路。同时，模拟分析了电池结构及振动等，提高了抗振性能。并通过调整集电结构，确保了可靠性。 另外，日立最新一代混合动力车锂离子动力电池的输出功率密度已达4500W/kg，为散热性更好的方形结构，正极采用锰（Mn）类材料，负极是非晶碳材料。 王子冬表示，目前锂离子动力电池在车上占用的空间较大，成本很高，且能量密度仅为90120Wh/kg，仍然无法满足电动车长距离出行的需要。因此，各电池厂商仍需进一步改善能量密度、输出功率密度、成本与安全性。希望能在2015年2020年开发出能量密度达200300Wh/kg的第二代材料。 主要材料体系特点分析 目前，全球厂商正在研究的主要材料体系包括： 1磷酸铁锂正极材料的五年定型和一致性工艺研究。材料安全性好，寿命长。主要为美国专利。 2 长寿命锰酸锂材料研究。通过掺杂和生产工艺改进，提高高温稳定性。材料价格低，比能量高。目前工艺技术和设备由日本厂商掌握。 3 钛酸锂材料作负极的研究。提高比能量，降低成本。材料安全性好，寿命长，充放电比功率高。主要为美国专利。 4 混合电容电池的结构和工艺研究。材料寿命长，充放电比功率高，价格低，安全性好。目前中、日、韩均在进行此项研究，中国已有产品问世，不存在国外专利保护问题。 图1 电容电池技术的发展王子冬指出，中国厂商可进一步拓展研究其他在安全性、寿命、充放电比功率、价格方面表现突出，且没有国外专利保护的材料。 图2 国外某公司高功率锂离子电池性能（HEV）图3 2010年德国4.5Ah高功率电池性能图4 中国2008年高功率磷酸铁锂电池试验结果（1）图5 中国2008年高功率磷酸铁锂电池试验结果（2）图6 中国高功率磷酸铁锂电池测试结果锂离子电池材料的开发方向锂离子电池的正极、负极、电解液、隔膜及其他元件的特性必须合理搭配平衡，才能保证电池整体的高性能。 不同于特定容量普遍偏低的正极材料，硅、锡等许多负极材料的电位可以提供更大的容量，特别是硅，其理论容量至少10倍于目前最常用的负极材料石墨。但锂离子的嵌入可以导致400%的体积变化，结构很容易因反复充放电遭到破坏，其寿命延长成为一个关键问题。 研究人员已经在尝试与传统石墨混合以制造空气间隙，从而控制体积膨胀到一定程度，以及与氧化硅或其他材料再混合的石墨，以制造出一种氧化硅-碳（SiO-C）的复合材料。一、两年内，使用这种硅复合负极材料的电池将首先应用在手机中。 对于电动车来说，锂离子动力电池组的安全性非常重要。由于负极材料石墨比锂的电位低，因而不可避免地会出现锂沉积在负极界面或电解质形成化合物的问题。 东芝为此开发出一种锂钛氧化物LTO（Li4Ti5O12）的新型负极材料。LTO比锂的电位高，可避免上面提到的锂沉积或与电解质界面反应的问题，提高了电池的安全性。不过，LTO的电位比锂高出约1.5V，使用现有的正极材料时，电池放电电压将减少至约2.4V。其理论电容与石墨相当，因此电池能量密度的提高有一定程度的限制。 在采用LTO与5V的正极材料，或者采用它与高容量硅合金复合材料或类似材料，以提高电池放电电压的情况下，电池能量密度很可能至少可以提高到200Wh/kg。 另外，据王子冬介绍，全球各电池厂商及相关机构正在加紧针对全新类型、能量密度超过500Wh/kg电池的基础研究，如固态电池、锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池等，并计划在2030年前后开始推向市场。 图7 锂离子电池材料开发的长远目标对于全固态电池，日本大阪府立大学一直在研究采用硫化物类固态电解质。例如，加热Li2S-P2S5类玻璃进行结晶化后的电池，其室温下的离子导电率达到10-3S/cm以上，与目前液态电解质的导电率水平相同，而且还可能再提高25倍。 对于仍用有机溶剂，但采用新结构以提高能量密度的锂空气电池，由于其正极上用空气中的氧作为活性物质，因此，理论上正极的容量密度是无限的。此外，当负极使用金属锂时，理论容量可比锂离子电池高一个数量级。日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会已开发出这种电池。 图8 新结构的锂空气电池原理示意图电池的负极采用金属锂条，电解液组合用的是含有锂盐的有机电解液，正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与微细化后的碳和低价氧化物催化剂形成正极组合。 该电池放电反应生成的不是固体氧化锂（Li2O），而是易溶于水性电解液的氢氧化锂（LiOH）。因此，氧化锂在空气电极堆积后，不会导致工作停止。另外，水及氮等也不会穿过固体电解质隔膜，因此不会出现与负极锂金属发生反应的危险。在配置充电专用的正极时，还可防止充电导致空气电极的腐蚀和老化。 试验结果表明，以0.1A/g的放电率放电时，放电容量约为9000mAh/g，而此前的锂空气电池放电容量只有7003000mAh/g。 另外，若以水溶液代替水溶性凝胶，可在空气中以0.1A/