5伙伴城市推荐成果-动力电池=高能量锂离子电池正极材料产业化关键技术.doc

天津滨海新区国家863计划伙伴城市（城区 ）试点工作成果材料一、 成果名称：高能量锂离子电池正极材料产业化关键技术二、 归属单位：北京科技大学三、 成果内容：1、 基本情况：层状锰基正极材料具有高容量、高工作电压、优异的结构稳定性等特性，成为“十二五” 国家高技术研究发展计划能量型锂离子电池正极材料的首选。本成果是在国家自然科学基金和中德国际合作项目资助下对电极材料层状结构的系统研究和国家“863”计划资助对材料成分设计和制备技术开发的基础上完成的，实现了廉价锰矿富集提纯生产电池级无机锰原料以及兼顾电化学性能和物理指标的层状锰基材料批量制备的集成技术攻关，形成十余项具有自主知识产权的专利技术，先后获得2010年度中国材料研究学会科学技术奖一等奖和2011年度北京市科学技术奖。目前在广东省产学研重点项目资金支持下，完成了材料生产中试，实现了原料纯度和形貌的精准控制，层状锰基材料制备关键技术的实施以及工艺过程的简化，实现生产成本控制在6.5-8万元/吨，材料批次质量稳定、技术成熟可靠已达到批量生产的要求。2、 技术特点和应用行业：(1)应用于锂离子电池及材料制造业能量型锂离子电池是插电式混合电动车、纯电动汽车以及风能和太阳能发电系统储能设备的关键动力和储能体系，是先进能源技术领域和现代交通技术领域发展重点扶持的关键环节。成果提供的技术制备的材料能够达到在高电压下（4.6V）释放出220mAhg-1的高容量的基本要求以外，通过晶体结构优化和微观形貌控制从本征材料上解决了具有高能量优势的层状锰基材料循环稳定性差等棘手的问题，获得容量高、循环稳定性优异而且振实密度等物理指标满足生产要求的层状锰基材料，达到能量型锂离子电池的应用标准。图1成果技术制备的层状锰基正极材料的微观形貌与电化学性能（匹配一般商用电解液） (2)应用于电池级无机锰原料的资源开发和化工行业我国锰矿资源较丰富，其中贫锰矿储量占全国总储量的93.6，低品位锰资源的利用能源高，生产过程中产生10余种污染物和大量废水废渣。产品种类单一，粗加工制品杂质含量高，物理性能如颗粒大小、微观形貌等指标无法控制，目前还不能为下游企业提供精细锰源。成果提供的廉价锰矿富集提纯生产电池级无机锰原料技术，通过高效富集和耦合净化技术，由廉价锰矿制备高纯硫酸锰溶液和碳酸锰，采用锰离子的沉积技术、形态转换技术及其理化性质可调可控技术，由纯净锰溶液的直接制取纯度高、形貌粒度可控的二氧化锰和碱式氧化锰（MnOOH）等电池级无机锰盐。 (a) (b) (c)图2 成果技术制备的无机锰原料形貌粒度可控(a) 球形大颗粒(b)均匀小颗粒(c)团聚二次颗粒3、 工程化效果与成果产业化情况：锂离子电池体系正极材料占总成本40%以上，成为决定锂离子电池成本的核心关键材料。由于钴资源有限等因素的影响和领域内的技术进步，锂离子电池正极材料出现多品种，例如锰酸锂、镍钴酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂等材料百花齐放的发展阶段。目前开发资源丰富的Fe或Mn基廉价材料已成为产品结构调整的大的发展趋势。按目前需求的增长速率进行预测，三元材料和尖晶石锰酸锂需求量的年均复合增长分别高达23.65%、44.07%，锰基正极材料已成为未来五至十年的重点挖掘体系。成果中突出的两个亮点：（1）廉价锰矿富集提纯生产电池级无机锰原料技术；（2）兼顾电化学性能和物理指标的层状锰基材料批量制备技术。廉价的电池级高纯无机锰源的制备技术已在湖南和湖北的三家资源和化工制造业企业实现转化和产业化应用，具有优异电化学性能和物理指标的层状锰基材料批量制备技术已在深圳的电池材料制造企业完成了中试，具备了批量生产的成熟技术和能力。国际上，锂离子电池正极材料企业以各种形式参与到了下游市场和上游资源供应的领域，已逐渐形成了寡头竞争的局面。对于国内市场，上游的锰矿资源以及精细锰源的充足供应应当受到动力电池和储能电池以及相关材料行业的足够重视。成果中两项关键技术发挥了上游主要原材料采选冶产业与新材料生产行业集群效应，提高国内锂离子电池正极材料生产优势，有助于国内企业在国际竞争市场中扩大自身份额，获得快速发展的机会，在国际市场上获得竞争优势。4、 应用前景和预期社会经济效益：未来能源结构中，可再生能源如风能和太阳能将是需要大力投资和开发的对象。利用风能发电，陆上离地面10米的技术开发量约3亿千瓦，陆上70米高度和海上的风能资源更大。一个4KW的屋顶家用太阳能发电系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。国际能源机构（IEA）在2008年6月初发布的2008年能源技术展望预测在2010年至2050年间，全球每年将增加17500台风力发电机，同期每年将安装2.15亿平方米的太阳能板。储能电池和储能技术是制约风能和太阳能发电规模化和并网发电的的瓶颈问题，而且利用分布式储能系统直接给电动汽车充电，储能效率可达90%，远高于抽水蓄能电站的效率(70%)。目前，锂离子电池的价格因素阻碍了大型锂离子电池的推广使用。成果提供层状锰基材料批量制备技术生产层状锰基材料，锂离子电池的单位容量（每瓦时或每千瓦时）的生产成本下降30%。成果提供的两项关键技术的结合，低品位锰矿直接加工提纯净化技术制备锰源为原料，生产1吨超高纯碳酸锰的生产成本从11700元降低至5700元，生产1吨高纯二氧化锰的生产成本从16500-17000元降低至9700-10300元，使储能电池的生产成本下降50%或以上。组装锂离子电池应用于储能系统，在高电压、大电流和恶劣天气条件下的使用安全稳定性明显提高，而且充放电效率的提高使可再生能源的发电成本有所下降。高效储能