磷酸铁锂-新型电池阳极材料

锂电池正极材料磷酸铁锂生产技术可行性报告中国科学院老专家技术中心中科国发科学技术有限公司 22 锂离子电池正极材料磷酸铁锂产业化 可 行 性 研 究 报 告 一。 概述1 1.1.项目背景 1.2.技术开发状况 1.3.产品主要用途、性能二。 技术可行性分析2.1.项目的技术路线、工艺的合理性和成熟性，关键技术的先进性和效果 . 项目的生产路线 . 技术的创造性和先进性 . 技术创新性 . 工艺与原材料的适应性及其经济合理性 . 连续化、自动化及环保情况 . 成果的创造性、先进性2.2.产品技术性能水平与国内外同类产品的比较2.3.项目承担单位在实施本项目中的优势 . 政策优势 . 技术优势 . 市场优势 . 性能优势 三。 项目成熟程度 3.1. 产品质量的稳定性，以及在价格、性能情况 . 技术质量指标 3.2.核心技术的知识产权情况 四。 市场需求情况和风险分析 .国内市场需求规模和产品的发展前景、在国内市场的竞争优势和市场占有率 . 国内市场需求规模 . 产品经济周期及目前所处生命期的阶段 . 小型锂离子电池市场对磷酸铁锂的需求趋势 . 车用动力电池市场对磷酸铁锂的需求趋势五。投资与效益分析六。风险分析及对策 . 项目风险 . 风险对策锂离子电池正极材料磷酸铁锂产业化可 行 性 研 究 报 告一. 概述 1.1.项目背景 锂离子动力电池是一种以满足混合电动汽车、纯电动汽车、电动自行车、电动摩托车、不间断电源、割草机、矿灯和小型发电站电能存储和转换的大容量、高功率的大型锂离子电池。工业的发展和人类文明的进步很大程度建立在石油能源的基础上，并且依赖程度日趋严重，石油能源是不可再生能源，随着石油能源的匮乏，人类提出了节约、合理使用石油能源。锂离子动力电池可以在大量领域内使用电能取代石油能源，节约了大量宝贵的石油资源，同时电能是一种清洁能源，可以缓解使用石油能源带来的严重的环境污染。因此，大量发展锂离子动力电池具有重要的社会经济意义。环保的呼声和不可再生能源紧缺给绿色二次能源提供了广阔的发展空间，促进了电动自行车，混合电动汽车的研究、生产和应用。锂离子动力电池具有能量密度高、环境友好、安全性好和循环寿命长的特点，成为电动车首选移动能源。锂离子动力电池作为绿色二次能源具有巨大的市场需求，其主要可用于电动自行车和混合电动汽车及车用蓄电池。正极材料是锂离子动力电池应用的主要障碍，一是原来开发的钴酸锂正极材料不安全，二是大量使用价格昂贵，总的来说钴酸锂不适合用作锂离子动力电池正极材料。因此，开发低成本、高性能正极材料具有重要的社会经济效益。我国的电动自行车从研制开发到上世纪90年代中期小批量投放市场，及至现在的生产和销售，一直呈逐年大幅增长的势头。1998年我国电动自行车的产量为5.54万辆，1999年产量为12.6万辆，2000年为27.6万辆，到2001年上升 到58万辆，2002年起销售规模突破100万辆，2003年全国产量高达400万辆，2004年已销售500万辆，累计产销量达1500万辆，市场容量已经达到100亿元，全国共有近700家电动自行车企业获得了生产许可证。目前中国的自行车数量为5亿辆，保守估计，其中每年2%被电动自行车取代，每辆电动自行车配一个动力电池，每个电池用1千克磷酸铁锂计算，一年所需要的磷酸铁锂正极材料将达到1万吨。混合电动汽车最先主要是公交车上的应用，以全国的100个大中城市计算，共计采用混合电动汽车50000辆，每辆车车用电池使用正极材料100千克计算，一年需要正极材料5000吨。另外，磷酸铁锂可以在小电池上可以和钴酸锂混合使用，一年的需求量将达到5000吨。因此，保守估计，磷酸铁锂正极材料每年市场需求为2万吨。磷酸铁锂每吨15万元，总计每年的销售额为30亿元人民币。磷酸铁锂正极材料的产业化将直接带动锂离子动力电池的产业化，同时由于磷酸铁锂动力电池的重量轻，续航能力大的优势，电动自行车行业将以更高的速度增长。磷酸铁锂正极材料的产业化也将推动混合电动车的应用和推广。同时，锂离子动力电池在车用蓄电池、不间断电源、大型通信电源等方面的应用具有广阔的市场。 锂离子动力电池可能采用的正极材料有钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、磷酸亚铁锂(LiFePO4)，锰酸锂（LiMn2O4）四种。钴酸锂价格昂贵、安全性能差，镍酸锂安全性能差，锰酸锂高温下锰的溶解引起容量快速下降，都不能满足动力电池要求。磷酸铁锂价格便宜、安全性好、环境友好，适合大功率锂离子动力电池要求，成为国内外锂离子动力电池正极材料研发重点。日本和加拿大有磷酸铁锂锂出售，国内也有少数几家公司正在进行前期研究。目前国内从事锂离子动力电池技术研发的公司较多，主要有中信国安盟固利电源有限公司，北京星恒电池有限公司，奥柯玛新能源有限公司，天津蓝天双环，北京博大电池有限公司，湖南晶鑫动力电池有限公司等。其中，中信国安盟固利、北京星恒、博大和晶鑫都以锰酸锂可以作为锂离子动力电池正极材料，该种锂离子动力电池并没有在电动车上真正使用。钴酸锂不适合作为锂离子动力电池正极材料，一是价格昂贵，二是带来了安全隐患。也有少数公司如奥柯玛新能源有限公司采用了磷酸亚铁锂作为正极材料，以该种材料开发的锂离子动力电池完全满足安全和动力要求，目前已经投入了大量资金正在准备大规模生产锂离子动力电池。磷酸铁锂能满足锂离子动力电池的要求，但是， 目前还没有大规模的磷酸铁锂生产，因此磷酸铁锂的研发迫在眉睫。目前，用作动力电池的磷酸铁锂正极材料主要存在电导率较低导致放电容量偏低的缺陷。近年来，国内外科研机构和锂离子电极材料厂家以及动力电池的生产成家都一致认为，磷酸铁锂是锂离子动力电池的最佳正极材料，磷酸铁锂作为正极材料的锂离子动力电池将为电动自行车、混合电动车提供可靠的移动能源供给。 1.2.技术开发状况 本项目课题组经过多年研究开发，在锂离子电池正极材料领域积累了丰富的经验，成功开发了锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂多种正极材料。以锰酸锂技术为核心的产品已经在蜀都纳米粉体材料有限公司和深圳贝特瑞电池材料有限公司成功产业化。 在锂离子电池正极材料研究方面，具备了一定的物质基础和技术基础，其实验室总投入已近500万元，购置了多种实验和测试设备，建立了专用实验室约400平方米， 实验室具备的与本项目有关的设备和仪器如下： （1）电化学综合测试仪一套（CHI660b），5万元；（2）Arbin 8通道电池测试仪（美国），20万元； （3）实验合成用专用反应炉及控制设备4台（自制），8万元；（4）锂离子电池程控测试仪4组（武汉蓝电电子公司），4万元；（5）手套箱1套（自制），约5万元；（6）搅拌磨，一台，2万元；（7）行星式球磨机，四台，3万元；（8）纳米颗粒Zeta电位仪,美国布鲁克海文公司, 1台, 34.0万元；（9）多功能视频显微镜,美国科视达公司, 1台, 39.6；万元（10）比表面吸附仪,美国康塔公司, 1台, 23.8万元；（11）综合热分析仪,德国NETZSCH公司, 1台, 38.25万元；（12）原子力显微镜,上海爱建纳米科技公司, 1台, 24.96万元；（13）扫描隧道显微镜,上海爱建纳米科技公司, 1台, 8.24万元；本项目从1999年开始实验室研究， 实验室工作已经全部完成并进行了中试，各项性能均处于国内领先地位。该工艺的特点是： （1）实现了原材料的国产化,并通过采取原材料预处理的方法,确保了国产化原材料的均匀性和稳定性； （2）确定了最佳配方及最佳工艺流程；采取特种混料技术,实现了原材料的纳米级均匀混合,通过这种混合得到的前驱体有利于后续固相烧结工艺中反应组分的扩散，缩短了反应时间，降低了反应温度，得到的产品均匀性和一致性好且制造成本低。 （3）采用掺入微量金属元素和少量含碳前驱体的方法，合成了多元掺杂改性的磷酸铁锂复合正极材料，材料综合性能好,特别是循环性能显著提高。 (4) 生产过程，安全环保，属清洁生产工艺。1.3.产品主要用途、性能 本项目生产的磷酸铁锂材料主要用作锂离子电池正极材料，目前锂离子电池主要应用于手机电池，笔记本电脑，摄像机，高档电动玩具等便携式电器，以后电动汽车和电动摩托车将潜在巨大的市场。 由于国内外磷酸铁锂材料仍处于研制开发阶段，尚未形成规模生产，因此，目前尚无统一标准，也无行业标准。本项目性能指标参照国际上某些公司的标准及国内一些电池厂家的要求制定，磷酸铁锂材料的性能如下： 化学成分（%） Li 4.40 Fe 35.40 P 19.63 O 40.57 Li/ Fe 1.001.05 物理性能 电容量(mAh/g) 135 充放电次数 500-1000 平均粒径 38m 振实密度(g/cm3) 1.0-1.3比表面积(m2/g) 115135振实 1.21.3比表面积(m2/g) 1-503-10Li:Fe(molar) 1.02-1.061.0-1.05500次循环后容量衰减率(%)1290%。 3.2.核心技术的知识产权情况 磷酸铁锂材料作为锂离子电池的正极材料，要求承受反复的电流充放。在充电时，锂离子从正极中脱出而嵌入负极，放电时则从负极脱出嵌入正极。如此往复运动。要使其具有较高的循环寿命，则要求其在锂离子脱出/嵌入时结构上具有较好的可逆性，即在锂离子反复脱出/嵌入时，磷酸铁锂材料的骨架不致于坍塌，而引起循 环性能失效。因此，控制磷酸铁锂材料的循环性能一般从控制合成工艺（温度制度）着手，保证其具有完好的晶体结构。磷酸铁锂材料的另一个重要性能是大电流特性，即在较高倍率下的充放电能力，也即电池的功率输出特性。尤其是在动力型应用时，这一性能显得尤为重要。这也同样对磷酸铁锂的晶体结构提出了较高的要求，使锂离子能快速的迁移。本项目 通过金属离子掺杂和现场引进纳米结构碳既提高了磷酸铁锂的导电率和锂离子扩散能力，同时又通过特殊的工艺保证了磷酸铁锂晶体结构的完整，在结构和工艺上给磷酸铁锂的物化性能提供了保证。本项目正在申请国家发明专利。 四.市场需求情况 4.1.国内市场需求规模和产品的发展前景、在国内市场的竞争优势和市场占有率 . 国内市场需求规模 中国锂离子电池的生产总量己位居世界第二,2001年锂离子电池产量为2.2亿只。随着国内电芯厂家生产技术的进一步提高,基于成本的原因,专家预计 中国必将超过日本成为世界锂离子电池的第一大生产国。中国目前有大大小小的锂离子电池生产厂50多家,其中,比亚迪公司已日产30万只以上,邦凯公司日产已突破10万只,华粤宝、贵州航天、银思奇等公司日产量已达到4一8万只,其他厂家都纷纷在扩大规模。另外,由于中国巨大的潜在市场的吸引,国外电池生产厂,如日本三洋等纷纷来中国建电池厂,意欲更大规模地抢占中国市场。专家预言,21世纪,中国不仅会成为锂离子电池第一需求大国,而且会成为锂离子电池的第一生产、出口大国。与之对应,近几年, 中国对锂离子电池正极材料的需求量超过10000吨。 . 产品经济周期及目前所处生命期的阶段 锂离子电池是国际上于90年代初兴起的最新一代二次电池产品,目前尚无可预见的替代产品。作为正极材料生产技术相对成熟的锂钴氧，因其原料资源（主要是钴资源）的限制，加上生产成本过高已面临严峻的市场危机。磷酸铁锂并没有涉及到昂贵的稀有金属元素，由于他独特的橄榄石结构，磷氧键键能大，锂氧键键能较小，磷酸铁锂具有容量高、循环性能优异、使用安全和价格合理等特点，磷酸铁锂的生产成本相对于钴酸锂大幅度降低。因此，磷酸铁锂以其优良的性能价格比被业内人士普遍看好，尤其是随着社会环保意识的不断增强，相继涌现的电动汽车、电动摩托车及其它便携式电动工（玩）具将会更有力地推动在性价比方面其它材料无 法匹敌的磷酸铁锂正极材料的市场应用。 锂离子动力电池现在已具备广泛进入市场的能力，最小的锂动力电池(不锈钢壳)为42120(mm)，电压3.6V，额定容量10Ah。这种电池的优点是体积小，比能量大，引起所有的电动自行车厂家密切的关注。厂商们充分利用这种电池体积小质量好的特点，设计出电池总重量仅为3.6Kg的电动自行车。最轻型的电动自行车和电滑板车，仅用6只电池串联驱动，续驶里程即可达到36KM。现在小型电动剪草机、釆棉机，以及携带式备用通迅电源(军用，民用)，矿灯等许多方面都在使用。不管是通迅、照明、驱动，这种3.6V/10Ah锂动力电池，均可做为一种轻便可移动式的电力源泉而走向市场。 锂离子动力电池完全适合电动轿车起动时，需要短时间(几秒)的大电流放电，和加速爬坡时的快速放电，以及长的续驶能力。目前，锂离子动力电池组装的电动车，已经出现在法国、意大利，台湾、日本、香港；中国的深圳、中山、武汉、郑州、北京、大连、重庆、金华等许多城市。以锂离子电池组装的小轿车为例，一次性充电可续驶383km，全程使用空调，音响，并点大探照灯2个多小时，最高时速达120km。使用的电池重量仅为310.5kg，电池的工作电压是126-192V，电机最大功率30KW，电池总容量300Ah。锂离子动力电池的产生，为中国的轿车行业飞跃式地跨入世界轿车行业前列，打下坚实的基础。 现在国内某些公司开发的电压3.6V，容量100Ah和电压3.6V，200Ah。这种电池可反复充放，可以任意组合成多种功率的电能反应堆，由于受环保意识和环保立规的影响，大多用于驱动车辆，如电动摩托车，一次性充电可按设计要求达到几百公里的续驶里程。用这种电池终于可以使电动摩托车长续驶能力的梦想成真。环保水域的形成，特别是旅游景点水域正在以零排放无污染的要求出现，许多旅游景区正在或已经将运输船游船改装成电驱动。 鉴于中国国情的客观因素，电驱动助力自行车，这种介于机动车和非机动车之间的代步工具，更突出了它诸多的优点和实用性。于是，研制生产这种自行车的厂商，如雨后春笋般在中国这块肥沃的土地上迅速生长。去年，我国的电动自行车的产量已达到1000万辆，有700多家生产厂家。电动自行车的拥有量发展到1000万辆。据不完全统计，仅上海就有近70万辆。然而，研制生产电驱动自行车的厂商们经过 十几年的潮起潮落，最后都把目光盯住了锂动力电池，其原因是所有的二次电池都不能满足于自行车那种轻巧灵便的需要。传统的蓄电池装在自行车上就如同装上一块20公斤左右重的大石头，其本身的重量再加负载，使续驶里程不理想。这么重的电池提上提下地充电，使人忧怨不堪。电池装在车上也壅肿难看。其电池本身的寿命也使消费者大为恼火，用不了多久电池就报废了，而报废了的电池还会产生严重的环境污染。市场经济的规律，消费者决定了厂家的命运。而能够扼制住命运喉咙的，是属于那些有独具眼光的，有创新意识的厂家。广州五羊摩托车集团电动自行车分公司，审时度势，率先打出了锂电动自行车的品牌。这种用3.6kg锂电池，装载在自行车前货筐里，一次性充电续驶里程63km(负载75kg)，最高时速20km。手堤式的电池盒，只有24公分长，5.5公分宽，26公分高。流型车体，前后减震，灵巧快捷只有锂动力电池，才能组装成这种轻便的自行车。浙江无限能源有限公司开发的“无限”环保电动自行车，具有整车重量轻（不到18KG），行使里程长（纯电动续行里程60KM），使用寿命长（不低于1000次），电动智能控制等优点，实现了真正的环保,所采用的锂离子动力电池标称容量：10AH，标称电压：36V，过流保护：15A-18A，过压保护：24V ，重量：2.8kg，外型尺寸：285x130x85mm。中国有4个亿的自行拥有量，这4个亿如有2%的人能够换成电动自行车，就是800万的市场。一项调查表明，全国五大城市50%用自行车的人，有换成电动自行车的愿望。目前全世界拥有自行车达10个亿。据专家分析，未来几年内，电动自行车将逐步取代自行车，锂动力电池，做为电动自行车最理想的驱动源泉，其市场保有量会随着电动自行车的逐年增加而增加。而用锂动力电池组装的电动自行车，其市场价格并不比铅酸蓄电池组装的自行车价格高，以北京一家电动自行车专卖店得来的信息表明，用锂组装的仅比铅酸组装的高出320元，如果按铅酸组装车的标准和数据可同等价格并列。这是五羊电动自行车分公司为经销商制定的限制价，其目的是不让经销商无限制地再加价。仅电动自行车一项，国内对锂离子电池正极材料的需求已超过10000吨，其市场潜力更是巨大。 如果说电驱动自行车现在已经形成了市场，那么电动摩托车市场规模也已开始 起动。其实采用电驱动摩托车在国外一些先进技术的国家和地区早巳研制开发，所有配件已经完美成熟，但始终因为电池问题，最主要的是续驶里程和速度达不到理想的指标而叹惜。传统电池组装的摩托车用庞大笨重的电池组合，其续驶里程仍然达不到理想的要求。只能跑40-45km，最高时速也只有40-50km，消费者不买账，研发也一筹不展。锂动力电池的产生，给电动摩托车的研发者带来新的憧憬。台湾EVT电动摩托车公司用锂动力电池组装测试，一组选用3.6V/100Ah组装的电摩托车，续驶里程达到200公里，最高时速可达90-100公里，世界电摩之王出现了!台湾是全世界推广电动摩托车最优秀的地区，现在的EVT与国内锂动力电池生产商，已经联起手来争抢台湾以及国外的其它市场。在国内，各大摩托车厂商也瞄准了锂动力电池作为动力研发。当重庆，嘉陵，洪都与锂动力电池纷纷握手的时候，国内各大民营摩托车集团也毫不落后，力帆，银钢更是咄咄逼人，这种局面无疑给锂动力电池的未来市场创造了无限的商机，其市场辉煌的前景是无法估量的。 从今年起在未来五年内，世界范围内将全面强制性实施新出厂轿车由原来12V蓄电池改为36V蓄电池。现代轿车注重车载电子系统的现代化，现代化的车载电子系统，无一例外地需要电。1只12V/120Ah的蓄电池不能满足诸多电子系统的需要，而使用铅酸电池组合达到电压容量的要求，就要增加3倍的重量和3倍的体积。现代车怎么能用这种超重量，超体积，且有嫌二次污染环境的传统电池呢?所以，锂动力电池以其体积小比能量大及质量轻等优点，将做为首选蓄电池而进入现代车一族。据专家估计，仅此一项世界每年36V/100Ah的锂动力电池，其市场容量将达到几佰亿美金。 锂动力电池用在军事领域，航天航空领域更存在不可估量的市场。用在智能机器人，电动滑板车，儿童玩具车，剪草机，采棉机，野外勘探工具，手动工具等方面，其市场份额也是不容置疑的。综上所述，锂动力电池以其本身的质量自备条件，占有强大的市场优势，在市场的角逐中，必然要战胜传统的蓄电池，这是必然的历史规律。 . 小型锂离子电池市场对磷酸铁锂的需求趋势 锂离子二次电池自从1992年由日本Sony Energy Tech公司导入市场以来，随着多媒体计算机及CPU高阶化需求及笔记型电脑、行动电话“轻、薄”的要求下，锂 离子电池成为其最佳电源供应来源，性能受到可携式电子产品制造业者的肯定，被广泛应用于各种可携式电子产品。按照使用电池数量的大小顺序，依次为笔记型计算机、移动电话、摄录像机、迷尔光驱、数字调解器、数字式像机及掌上型终端机。其中在笔记型计算机和行动电话上的应用比例最高，分别占47.7%和37.1%。日本矢野经济研究所在1998年的研究报告中即指出，全球小型二次电池的市场在2005年达到23亿颗以上，其中锂离子电池占82%，即19亿颗，磷酸铁锂若占领1/3的正极材料市场将达到5000吨。 . 车用动力电池市场对磷酸铁锂的需求趋势 电动助力车是我国的国情车，目前我国自行车的社会拥有量为4亿辆若按近三年电动助力自行车的占有量达到10%计，则为4000万辆；欧美国家对电动自行车的年需求量将在近三年内达到近千万辆。 电动摩托车也是电动车发展的过渡交通车，目前摩托车全国保有量达6000万辆，同样，若按近三年电动摩托车的占有量达到10%计，则为600万辆，并且大部分城市正在禁止摩托车上牌，无污染、低噪音的电动摩托车预计将会超过600万辆。 电动车和混合电动车是世界各国竞相发展的绿色交通工具，必将得到扶持性发展。但是，作为一个产业化形态而言，近三年内不会形成。 综上所述，至2007年，我国的锂离子动力电池的需求量可以预测如下： 表-3 车用动力电池对磷酸铁锂的需求 车 型年产量（万辆）电源能量（Kwh/辆）锂离子电池占用比例锂离子电池需求量（104Kwh）所需正极材料（万吨）电动轿车未形成批量生产3615%电动摩托车6005.525%8251.64助力自行车40000.550%10001.98亦即至2007年，锂离子动力电池总需求量为50.69亿Ah（单体电池工作电压3.2伏），折算为正极材料其消耗量为36200吨。而以上数据仅仅只包含了国内市场，考虑到国外市场的拓展及电动轿车的潜在发展，对动力型锂离子电池正极材料的需求量要远远超出36200吨。五.投资与效益分析1、年产200吨磷酸铁锂生产线所需设备投资预算单位:万元设备名称单价数量(台)金额用途及说明球磨机20240原料混合及细化干燥机10440溶剂回收和物料干燥压力机3.5828循环和运输浆料隧道窑1001100粉体烧结氧化锆球30万元/吨2吨60球磨介质刚玉钵200元/个1000个20装载粉体其它12总计3002、未来五年生产成本、销售收入估算根据市场调查和分析，国内磷酸铁锂潜在的市场每年近万吨，并且随着电动车的普及和推广，市场需求将逐年增长。中国目前已有一些厂家正在试生产磷酸铁锂，如天津斯特兰、台湾铁研科技，美国A123公司等，但目前产能较小。因此，项目建设规模按照目前估计市场的2%设计，即年产200吨磷酸铁锂的规模。u估算依据1) 原材料价格按目前市场价格进行估算2) 固定资产按五年以直线法计提折旧3) 销售价格按照每吨15万元4) 正常年份产销200吨5) 人工工资按照18000元每人计算6) 动力要求：总功率500KW；7) 占地面积：800平方米，厂房高度10米。表-1 原材料成本明细表 单位：万元序号名 称单 耗单 价金 额1草酸亚铁227.841.8410.1122碳酸锂46.846281.043磷酸二氢氨145.560.343.6684酒精4000.52005合计 934总成本估算序号项 目第一年1一、生产成本132421.原材料93432.辅助材料16