鉅大LARGE | 點擊量：1096次 | 2018年12月03日
鋰離子電池產業價值
10多年前,鋰離子電池還只是科學家在實驗室孜孜以求的學術成果。
今天，人們的生活幾乎離不開它。手機、手提電腦，幾乎所有的攜帶式個人電子用品都要靠它來提供所需的能量。可是如何把它裝在汽車上，成為汽車的動力；又如何讓它成為未來存取電能的“容器”，科學家們又開始不斷地探索，電池“肚量”要越來越大，動力要越來越強，壽命要越來越長，但并不意味著體積和重量也要越來越大，這不是簡單的數量疊加。
這個變化的關鍵，就是電池的材料。用于手機電池的材料，絕對不能用來制造電動汽車的“心臟”，否則不是可能會爆炸，而是一定會出事。因此，各國的科學家都在試圖尋找最佳答案。
20年堅持，從無到有
中國科學院物理所研究員、博士生導師黃學杰評價我國的鋰離子電池發展是：從無到有，從小到大，發展很快。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2000年我國的產量約2000萬塊，占全球份額3.6%，與韓國相近，而當時日本已達年產5.12億塊，占93.9%。2002年我國跨過1億塊，2004年達到7.6億塊，占全球市場的37.1%，僅次于日本。
我國的鋰離子電池研究開發項目一直是863計劃的重點項目，從移動電子設備用小型電池開始，連續20年獲得支持。目前小型鋰離子電池已形成年產2億只以上的生產能力，日本SONY、三洋等公司也將生產廠建到中國。大部分材料實現了國產化，國內已自建和引進多條生產線，配套材料廠也有很多個，均已形成大規模生產，市場競爭激烈。
“小型電池及其相關材料目前技術工藝成熟，生產成規模，主要是產業投資推動。”黃學杰說。
“我國的動力電池的研究相對較晚，但到目前為止也已取得了驕人的成績。”黃學杰說，中科院物理所經過20年來的研究積累，在納米儲鋰負極材料和磷酸鹽正極材料的研究方面我國居國際一流水平。
我國的動力型鋰離子電池“十五”期間在863電動汽車重大專項的支持下開始了研究開發，解決了高功率輸出的問題，安全性也得到了極大的提高，依托于中科院物理所技術的蘇州星恒電源有限公司創造地實現了平板電池的機械化生產，2004年，蘇州星恒公司研發的10安時高能量型和7.5安時高功率型錳酸鋰離子動力電池已通過美國UL安全測試，成為中國本土第一個通過UL認證的鋰離子動力電池，目前產品已批量供應國內外市場。開發的15安時高功率電池通過863電動汽車重大專項組織的統一測試，“十五”期間已成功應用于燃料電池混合電動轎車概念車“超越二號”和“超越三號”。8安時高功率電池已成為“上海”牌燃料電池混合轎車的標配。
“車用鋰離子動力電池等高端產品技術的開發，不僅僅是我國電動汽車產業發展的需要，也必將帶來我國鋰離子電池產業的全面技術升級。”黃學杰說。
不斷創新，不斷飛躍
我國動力電池的發展是伴隨著電動自行車的成長而起的。但在國內剛開始開展鋰離子電池電動車研發時，鋰離子電池曾出現若干爆炸事故。
一般來說，電池安全性是和電池中儲存的能量成反比的，即所能釋放的能量越大，其安全性就越差。
黃學杰說，換句話說就是和電池的重量成反比的。當然，隨著電池體積的增加，散熱性能變差，爆炸的可能性更是大幅度增加，所以，將鋰離子蓄電池做成動力電池，就必須提高其安全性能；其用量的愈大，其要求達到的安全性指標也就愈高。
鋰離子電池發生爆炸，一個很重要原因是使用手機電池常用的鈷酸鋰做為鋰離子電池的正極材料。鈷酸鋰材料的理論比能量超過每克270毫安時，但為保證其循環性，實際可使用比容量只有理論容量的一半，即140毫安時左右。
“在實際使用過程中，如果在某些意外的情況下，比如管理系統損壞而導致電池充電電壓過高，則剩余的一部分鋰就會從正極經電解液在負極表面以金屬鋰的形式沉積。”黃學杰說，而金屬鋰的表面欠電位沉積極易形成“枝晶”，從而刺穿隔膜，將正負極短路，引起起火爆炸等安全事故。另外，金屬鋰非常活潑，熔點也低，在電池溫度局部過高或者殼體破損接觸空氣的情況下也非常的危險。
尋找替代鈷酸鋰的正極材料，解決安全問題是生產動力型鋰離子電池的最優先要考慮的問題。
“十五”期間，在863計劃支持下，中科院物理所發展了氧空位磷酸鐵鋰和用于車用動力電池的錳酸鋰正極材料，他們發展出了一種具有自主知識產權的表面修飾技術，應用于改性進尖晶石錳酸鋰材料，生產出可逆容量達到107毫安時每克，55℃循環200次容量保持率大于90％，優于國際同類產品水平，保障了電動汽車重大專項中高功率鋰離子電池項目的順利推進。在山東試驗工廠的技術工藝基礎上，在無錫建成了年產1000噸的生產線。
在鋰離子蓄電池的負極材料的研發上，我國也有重要進展。作為手機鋰離子電池負極材料的首選中間相炭微球，我國已實現全面國產化。上海杉杉和天津鐵成等生產的該類型負極材料，其可逆容量均在300―340毫安時/克，性能指標已經達到或部分超過國際先進水平，且價格只有進口產品的三分之二。但石墨負極材料不能滿足混合動力汽車的高功率和長壽命要求，黃學杰介紹說，在動力電池中，使用具有石墨結構的中間相炭微球存在一個致命的缺陷，即在大電流沖擊的時候，由于體積變化，炭球表面的固體電解質層會破損，從而加速其壽命衰減。在863納米專項的支持下，北京星恒成功地開發出來硬碳負極材料，位于八大處高科技園的試驗線預計本月底投產。
瞄準未來，成就產業
在比現有碳材料（372毫安時/克）容量更高的負極材料，成為研究的熱點時，氧化錫首先被發現具有優異的儲鋰性能，導致人們開始研究一系列基于金屬和氧化物的負極材料，然而錫、硅等作為鋰離子電池負極材料的致命問題在于：充放電過程中，隨著鋰的反復嵌入脫出，體積變化高達300%―400%，導致電極的機械穩定性降低，材料也因發生粉化逐漸失效，因此循環性能很差。
黃學杰說，納米合金化可以克服錫基材料這一弱點，已在SONY的Nexlion中獲得應用，物理所在1998年即發表論文指出納米化是提高此類材料循環性能的有效途徑。國內中國鋼研科技集團公司在863的支持下已初步開發出具有一定循環穩定性的錫基材料。在世界范圍內，具有高比容量的非碳負極活性材料正處于大規模商業化應用的起步階段，采用三維集流體材料提高鋰離子電池負極材料的電化學性能，是目前國際鋰離子電池領域的一個主要研究熱點。
與傳統二維銅箔相比，三維集流體材料能夠為活性物質提供更加良好的導電環境，縮短多孔電極內部平均電子傳輸距離，從而降低極片內阻，減小大電流充放電產生的電極極化現象；更重要的是，三維基體還能在一定程度上緩解高比容量活性材料的“體積效應”，減少內應力對電極結構的破壞，從而改善電極的循環壽命與充放電效率。
目前，蘇州星恒電源有限公司鋰離子動力電池的比功率已達到120Wh/kg，已占國內電動自行車鋰離子動力電池市場的80%以上，部分產品已進入國際市場。
“十一五”期間，863計劃繼續給予了支持，針對車用動力電池和儲能電池關鍵材料的研發，啟動了一系列項目。
黃學杰說，隨著動力型鋰離子電池材料的產業化進程的深入，必將大大促進動力電池產業的技術進步，無論從安全性、高溫循環性、使用壽命，還是從制造成本上講，都將把動力電池的產品推廣和市場開發推向新的高度。另一方面，新的、動力型鋰離子電池正極材料的發展又對上游原材料生產企業提出了更高的要求，促進了上游產業在產品純度以及制造成本等方面的技術進步與發展。
“相信未來幾年，鋰離子動力蓄電池會逐漸占領電動車市場”。黃學杰說。
鋰離子電池重要創新點
氧空位磷酸鐵鋰：根據自主研發的一種獨特的合成方法，制備出可逆容量達160mAh/g的氧空位磷酸鐵鋰正極材料，循環500次容量未見衰減，特別是具備高倍率（10C）放電能力。
鈷鎳錳酸鋰：可以取代鈷酸鋰的鈷鎳錳酸鋰正極材料研制成功，發展出獨特的前驅體合成技術和加鋰技術，80%的鈷被錳和鎳取代,并實現了對晶粒尺寸的控制，合成材料的可逆容量達到165mAh/g，比鈷酸鋰高10％以上，循環壽命達到500次，而成本不到鈷酸鋰的50％，已在小試的基礎上建成了年產150噸的中試線。
改進尖晶石錳酸鋰：發展出了一種具有自主知識產權的Al2O3表面修飾技術，生產出可逆容量達到107mAh/g，55℃循環200次容量保持率大于90％，是國內第一個可用于混合電池用高功率鋰離子電池的材料，保障了電動汽車重大專項高功率鋰離子電池項目的順利推進。
復合負極材料：開發出的復合負極材料，可逆儲鋰容量已經達到600mAh/g，達到國際先進水平。
石墨化納米纖維導電添加劑：實現了對碳纖維直徑和長度分布的控制，開發出石墨化納米纖維導電添加劑，解決了此類添加劑的國產化問題。
電池研制：2004年星恒公司基于此材料制造的高功率混合汽車用鋰離子電池全面通過了863電動汽車重大專項組織的統一測試，比功率達到1200W/kg，性能居國際先進水平，星恒10Ah高能量型和7.5Ah高功率型鋰離子動力電池通過美國UL安全測試，成為中國本土第一個通過UL認證的鋰離子動力電池，為該類電池進入國際市場鋪平了道路。
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