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动力锂离子电池:需提高安全性及能量密度控制成本

作者:诸玲珍来源:中国电子报发布时间:2008-08-06 01:39我要评论


 特邀嘉宾




凹凸科技中国区战略销售总监王绍兰


编者按


由于日益紧迫的能源与环境保护压力,许多国家竞相开发绿色能源技术,其中尤其以电动汽车应用为代表的动力锂离子电池领域发展最为迅速。国内外企业都紧盯着这一大蛋糕,纷纷投入资金和人力进行研究并逐步实现产业化,希望能在未来获得巨大的收益回报。为此,我们特别约请业内专家及厂商代表,请他们畅谈未来动力锂离子电池的发展前景及如何把握市场机遇。

动力锂离子电池目前的发展现状?



·我国的锂离子电池研究发项目一直是国家“863”的重点项目,大部分材料实现了国产化,国内已自建和引进多条生产线,配套材料厂也有多个,均已形成大规模生产。

·动力锂离子电池目前正处于产业的导入期。


黄学杰


长期以来,许多发达国家把电动汽车列为主要攻克的目标,美国支持多个国家实验室和企业一起承担车用锂离子电池的开发工作。欧盟则制定了高比能量蓄电池的发展计划,采用规划和计划的手段,保证了基础研究的连续性,并不断产生出阶段成果。日本在锂离子电池领域具有垄断地位,索尼、三洋电机、松下电池、NEC等著名公司都建有大规模锂离子电池生产厂,而且大多数制造商除了保持和扩大原有品牌的产量外,都在利用各自的优势开拓锂离子动力电池新产品。总的来看,日本仍然是动力锂离子电池技术领先的国家,其动力锂离子电池及其关键材料量产技术已经成熟,性能已几乎满足电动汽车需求。

10多年来,我国的锂电池产业,从无到有,从小到大,发展很快,生产能力仅次于日本。我国的锂离子电池研发项目一直是国家“863”的重点项目,大部分材料实现了国产化,国内已自建和引进多条生产线,配套材料厂也有多个,均已形成大规模生产,市场竞争激烈,主要是产业投资推动。

锂离子动力电池产品首先应用于电动自行车,已经批量进入市场。汽车电池方面,国内也有多个单位的锂离子动力电池已经装车进行示范运行,但总体水平离真正商业化尚有距离,单体电池在寿命和一致性方面和日本产品有明显差距,电池管理系统和电池组技术水平也亟待提高,关键材料的水平和产业化能力也还需要进一步提高。


曹建华


经过几年的研究,各国的动力锂离子电池发展取得了很大进步,正极材料主要是磷酸铁锂和锰酸锂,在容量、安全性、循环寿命等多方面都已经完全能适应动力设备的要求,在电动自行车、混合电动力车、纯电动车、电动船、UPS电源以及其他一些储能装置上已经开始应用,但大批量的应用还需要一定的时间,大概就是在这两年。国内外企业都紧盯着这一大蛋糕,纷纷投入研究并实现产业化,希望能在未来获得巨大的收益回报。


林道勇


作为电动汽车、电动自行车、电动工具等可移动用电器具的核心能源部件的动力电池的发展成为左右电动汽车发展的关键因素,因此加大电池及其相关材料的研究与开发具有举足轻重的意义。

而动力电池中的锂离子电池由于具有重量轻、体积小、寿命长、电压高和无污染等特点,有“终极电池”之称,从而受到市场的广泛青睐,逐步取代了镍氢、镉镍等电池。

从锂离子电池使用的正极材料角度可以将目前的锂离子电池分为:钴酸锂电池、三元材料电池、锰酸锂电池以及磷酸亚铁锂电池。

手机、笔记本电脑等的电池一般是钴酸锂电池和三元材料电池,这是因为钴酸锂和三元材料的比能量比较高,在一个较小的体积内能够储存较多的电能,但它的安全性较差,所以只适用于小型电池。

而锰酸锂和磷酸亚铁锂的比能量虽然较低,但安全性较高,所以比较适用于中等容量的动力电池,这已经是国际上一个比较认可的技术选择。而大容量动力电池的大规模应用还有待阻燃电解液、高熔点隔膜、高稳定性充电态负极材料的发展。

由于磷酸亚铁锂电池具有极高的循环性能,较好的安全性能,另外其成本远低于钴酸锂、镍酸锂和三元材料,虽然目前其电池成本远高于锰酸锂,但如果产量大,有望降到和锰酸锂相当的水平,因为磷酸铁锂以铁、磷为原料,其来源丰富,价格低廉,因此有望在未来几年内大批量用在锂离子动力电池中。


王绍兰


动力锂离子电池目前正处于产业的导入期。电池相关技术已经成熟,各有特色,许多测试标准化正在进行中,迈向量产。电池包及电池管理系统相关应用尚未标准化,处于各自发展的状态。


冯祥明


锂离子动力电池的发展涉及电池制造、应用和市场认可等方面。就电池制造而言,现在已经可以生产出满足不同需要的动力锂离子电池,其应用主要包括各种电动车辆、电动工具等。但是其广泛应用还需要市场的认可,目前欧美的一些公司已经开始采购动力锂离子电池应用于电动工具和电动汽车领域,国内的应用也处在起步阶段。在6月27日刚刚结束的天津第8届中国国际电池技术交流展览会(CIBF2008)上数家公司展出了应用于汽车启动、电动工具、电动自行车、电动汽车和混合动力电动汽车的动力锂离子电池和电池组。


毛玉华


动力锂离子电池发展已有较长的时间,最早研究应用于电动工具、电动自行车、电动摩托车等,现在主要研究应用于纯电动车、混合动力汽车等。

市场预计2020年,混合动力汽车将占据整个汽车市场30%%的份额。我国的中信国安盟固利最早将锂离子锰酸锂动力电池应用于奥运会纯电动大巴上。江浙一带则在2006年开始大力发展电动自行车、电动摩托车、纯电动汽车和混合动力汽车等。

与之相配套的动力电池的研究也在迅猛发展,最早应用于动力汽车的是镍氢电池,由于其存在能量密度和功率密度较低、寿命短、具记忆效应等缺陷,因此难以迅速发展。目前在储能领域最好的是锂离子动力电池,能量密度和功率密度高、寿命长达10年、无记忆效应、重量轻。

目前国内动力电池生产厂家有很多,研究的厂家更多,已大批投产的有江苏星恒电池、万向集团、雷天电池、中信国安盟固利等。锂电池产品性能已能完全满足纯动力汽车和混合动力汽车的需要。生产锂离子电动工具、电动自行车、电动摩托车的电池厂商就更多了,包括业翔晶科、汇龙科技、武汉力兴等一大批公司。


其 鲁


二次电池的发展成为阻碍电动汽车实用化进展的主要瓶颈。目前,锂离子二次电池因其在能量密度、电压以及无记忆效应等方面的优势而备受研究人员的青睐。

LiMn2O4(锰酸锂)系列材料具有原料资源丰富、成本低廉、安全性好、无环境污染、制备容易等优点,使其成为动力锂离子电池最有希望的正极材料。


阻碍动力锂离子电池发展的瓶颈是什么?如何突破这些瓶颈?


·目前令锂离子电池发展受限的瓶颈还是成本。

·系统应用的标准化也是制约动力锂离子电池发展的瓶颈。


黄学杰


基于我国快速发展的电池产业发展纯电动汽车产业是实现我国汽车工业跨越式发展的重大机遇,动力电池产业也迎来了前所未有的机遇,目前,制约我国的动力电池产业发展的因素主要在部分关键材料、制造工艺和装备等方面,唯有研究单位、材料企业、电池企业一起联合攻关,才能取得突破,需要统筹安排,特别是行业共性技术,如能形成有效的联合攻关和技术转移机制,将有利于行业技术水平的快速提升。


曹建华


目前令锂离子电池发展受限的瓶颈还是成本。成本是两方面的,一方面是电池本身的成本,另一方面是为锂电池电动车配套的充电设施成本。举个简单的例子,配备一台电动自行车的36V、10Ah铅酸电池价格约400元,而36V、10Ah动力锂离子电池则需要花约1200元,整整是铅酸电池的3倍,尤其重要的是,一台配备铅酸电池的电动自行车才1800元,而配备锂离子电池的相同电动自行车则需要2600元,锂离子电池在其中占了46%%。相比较而言,动力锂离子电池在混合动力车和纯电动车等装置上应用的成本比重就更大了,因为还需要相配套的充电站网络提供方便快捷的充电。因此,降低成本成为动力锂离子电池应用的重中之重,目前可以从以下途径来降低成本:

第一,降低锂离子电池的主要材料成本,尤其是隔膜和电解液成本,目前的隔膜和电解液中的六氟磷酸锂基本靠进口,如果实现国产化则可大大降低制造成本,目前国内已经有两三家企业突破了隔膜制造技术,开始批量生产,但还不能完全替代进口隔膜。

第二,扩大动力锂离子电池的生产规模化,提升自动化水平,降低成本,这些需要资金的大量介入,另外需要配套的充电站设施的大量先期投入,提供方便电动车应用的大环境。


王绍兰


动力锂离子电池产业发展的主要瓶颈是系统应用的标准化。产业需要推动动力锂电池产业从导入期走进成长期。中国物理化学电源协会和凹凸科技发起的“电池管理系统开发及应用联盟”将成为联系电池行业和系统应用不同行业厂商的一个纽带,为推动电池管理的行业标准化贡献力量。

联盟的战略目标是:用2年-3年的时间,发展成为具有行业影响力的绿色电池产业联盟组织;建设以中国企业为起点,面向世界电池产业,以世界一流电池管理技术为平台的产业联盟;协助电池行业组织制定统一的电子接口和机构标准,为全球动力电池产业的发展作贡献。


冯祥明


动力锂离子电池的发展是一个系统工程,受到多方面因素的影响,而且很多因素相互制约,一起影响动力锂离子电池的发展,如原材料的价格直接影响着电池的价格,而电池的价格又直接影响着市场的认可。此外消费者的消费习惯也对动力锂离子电池的发展带来不可忽视的影响。对于这些影响因素,一方面需要生产环节进一步降低成本,包括电池原材料的生产和电池的制造。对于市场方面的问题则需要一个逐渐认识和成熟的过程,有时需要克服一些消费习惯方面的问题。


其 鲁


动力锂离子电池发展的瓶颈在于能量密度的提高、安全性提高、成本控制3个方面。能量密度的提高与电池安全性的提高具有一定的矛盾,因此必须在二者之间寻找平衡点,在保证安全性的基础上不断提高电池的能量密度,可以通过正极材料体系及电解液的不断改进来达到目标。电池成本降低的瓶颈又在于进口隔膜等材料的成本较高,而且目前铜等金属的价格一直上涨,对电池的成本降低带来一定的困难,不过随着科技部等政府机构对隔膜国产化的不断支持,加之电池生产厂的自动化程度的不断提高,电池的材料利用率及电池合格率也不断提高,相信电池的成本还会不断降低。


发展动力锂离子电池产业还需要从材料、技术方面进行哪些努力?


·需要解决快充快放电能力方面的不足。

·需要解决锂离子电池电解液溶剂体系易燃易爆的不足。

·使电池隔膜早日国产化。


黄学杰


材料方面,正负极材料和电解液国内企业逐渐形成竞争力,主要是技术指标的提升,隔膜的国产化也在实现中。电池制造工艺和装备方面的问题比较大。国家应在产业政策、关税政策等方面鼓励自主创新和引进消化吸收再创新。知识产权方面也需要在战略和策略方面统筹考虑,行业协会可以发挥更重要的作用。


曹建华


动力锂离子电池还处在初期发展阶段,还需要继续完善提升技术水平。产业界在政策上最需要的则是政府在新能源产业方面继续加大产业化开发的经费和投资支持,需要政府在税收政策、基础设施配套以及促成产业界之间的投资等方面进行支持。


王绍兰


目前动力电池的电芯已经开始量产,经过多年的努力,在电动工具、电动自行车和电动汽车、混合动力汽车中已经开始应用。随着各个电池生产商大规模动力电池生产线量产条件的不断成熟,2008年底,中国的动力电池的生产将迈上一个新的台阶。目前,电池管理系统开发还是薄弱环节。

政府在新能源技术的投入,在电动汽车、电动自行车方面的政策支持,甚至税收的支持,都将推动目前的产业发展。


冯祥明


动力锂离子电池的发展受各个环节的影响,首先离不开政策的支持,有政策的积极扶持和引导,创造一个合适的发展环境会对动力锂离子电池产业产生巨大的推动作用,如采取适当的政府补贴必然会刺激动力锂离子电池的迅速发展。从电池制造环节来看,在生产技术上已经不存在大的障碍,但是生产电池所需要的原材料情况各不相同,如正负极材料及五金配件国内均可生产,工艺技术上正在逐步提高和完善;而电池隔膜主要还是依赖进口,因此需要从生产和研发上积极研究和探索生产工艺,使电池隔膜早日国产化。


毛玉华


发展动力锂离子电池产业主要是从材料和技术方面进行大量研究,提高电池的安全性能和能量密度及功率密度,解决单体电池使用一致性的问题。

动力锂离子电池的材料方面,正极磷酸铁锂材料尽管可以满足电动汽车对锂电池的要求,但仍然存在一些缺陷。

1.需要解决快充快放电能力方面的不足。因此,需要对磷酸铁锂材料进行研究,进行纳米化,对导电剂进行优化,从而使电池能够满足这些要求,可喜的是,电池及材料专家们在这方面已取得了突破性进展。

2.需要解决锂离子电池电解液溶剂体系易燃易爆的不足。目前动力锂离子电池电解液溶剂体系仍然存在着易燃易爆的缺点,因为使用了磷酸铁锂和锰酸锂等较安全的正极材料,再加上使用软包装或塑料包装,从而使电池的安全性大大提高。但其本身的可燃性仍然存在,仍是一个安全隐患。因此,有针对性研究一些阻燃添加剂或使用离子液体,可以从根本上解决电解液易燃易爆的问题。

如何巧妙解决单体电池使用一致性的问题仍是发展动力锂离子电池产业的努力方向,研究的单位不少,取得成绩的也不少。比如凹凸(O2)科技的动力电池管理系统,在动力电池行业取得了巨大成功。但仍需要继续努力,使电池真正达到一致使用。

目前政策上对电动汽车或混合动力汽车的支持力度还是很大的,对动力锂离子电池的支持力度就较差,进一步到相关材料产业的支持就很微弱了。

我个人认为,政策上应对动力锂离子电池正负极材料、电解液及相关阻燃剂、离子液体、新型锂离子电解质等产业提供适当的支持。尤其是对电解液及相关阻燃剂、离子液体、新型锂离子电解质的研究方面的支持明显不足。有些关键材料质量明显不能满足目前研发的需要,更不用说满足未来发展的需要了。


其 鲁


动力锂离子电池要想得到更快更好的发展,材料的改进是根本,正极材料、电解液、负极材料以及新材料开发出来后相匹配的电极技术、电池体系匹配研究等都有大量的工作需要完成。随着材料技术的不断改进,电池的性能也将不断提高。

目前国内在材料以及电池机理方面的研究比国外差一些,尤其是动力电池以及电动汽车这样一个新兴的领域,在很多电池制作过程或电动汽车应用过程中出现的问题无法找到合理的原因,缺乏完善的检测及分析手段,希望政府能够在电池的基础分析及研究方面给予支持;另外,动力锂离子电池的生产过程中对厂房的湿度、洁净度等都有严格的要求,因此企业从起步阶段到完全达产是一个非常艰难的过程,需要政府能以银行贷款或类似的方式支持企业的产业化工程;第三,电动汽车行业的发展直接影响到动力电池的市场前景,希望政府能够在新能源汽车的相关政策方面可以给予一定的支持,从而推动这个新兴领域的快速发展。


张翠芬


锂离子电池作为动力电池同时要考虑性能、安全、价格。动力锂离子电池产业的成熟,依赖于安全隔膜的研制及电池价格的降低。


  动力锂离子电池将来的发展趋势?企业如何把握这个机遇?


·在降低成本上狠下工夫。

·提升自身的技术水平和产品质量水平。

·与国际直接接轨。


黄学杰


电池是电动汽车的核心部件,电网低谷时段的富余电力,可以储存起来,用来驱动电动汽车,可以实施低谷电代油的战略,降低我国对石油的需求和改善城市空气质量,电瓶储存的多余电力在高峰时段还可以回馈给电网,实现调峰。一旦电网有了强大的调节能力,太阳能、风能、地热、海洋能等间歇式清洁发电装置产生的电力很容易并入电网,清洁能源将获得大规模应用,这对解决人类面临的能源和环境问题将产生至关重要作用。

我国锂离子电池工业的特点是数量多,但规模大、技术和装备水平高的不多,具有较强的自主创新能力的就更少了,企业需加强自主创新能力,积极参与合作开发,才有可能实现超常规发展。


林道勇


从市场角度讲电动自行车也是近几年内现实存在的锂离子动力电池的主要市场。


曹建华


动力锂离子电池的发展还有很长的路要走,目前才刚刚进入到电动自行车领域,在电动车、电动船、储能装置方面的应用还需要加大推动力度,随着各国环保意识的增强,各国政府、尤其是先进发达国家政府可能会对铅酸电池的应用采取一系列的限制,当铅酸电池的成本和动力锂离子电池的成本趋近的时候,动力锂离子电池必将迎来它的发展高峰,全面替代铅酸电池而成为主要蓄能电池。中国的锂离子电池企业应该积极加快动力锂离子电池的研发速度,在降低成本上狠下工夫,同时提升自身的技术水平和产品质量水平,争取一开始就领先于世界,与国际直接接轨,占据足够的市场份额。


王绍兰


动力锂电池将面临一个快速的发展阶段,这取决于目前能源市场的紧张,环保的要求以及新能源体系的建立。因此,从企业来讲,应该掌握目前的这个时机,尽快占领市场。同时,从政府来讲,产业标准以及对于电池这个基础产业的政策配合也是至关重要的。


冯祥明


由于动力锂离子电池依靠多个企业和行业的发展,而且目前还处于发展的初期,因此作为整个产业链上的一个环节,各个企业都需要积极应对,清楚行业的发展趋势,准确定位,提高企业管理水平,稳定市场和生产以及研发团队,做好技术储备,在行业的激烈竞争中取得比较优势。


毛玉华


动力锂离子电池将来的发展趋势必然是大容量、高安全、长寿命和方便快充快放等。

企业要紧紧围绕这些趋势来开展工作,提前做好准备,提前积累相关的技术,提前做好相关材料的研究、开发和应用。这样在未来才会走在世界的前列。


其 鲁


动力锂离子电池将伴随着人们对环境问题的日益重视和对电动车期望的不断提高而得到快速发展,随着动力锂离子电池的逐步应用,电池模块化是最终的结果。目前企业面临的比较困难的问题是客户的需求多样化,造成产品的多样化,不利于大规模扩产和提高电池的一致性,企业需要不断地在前期客户应用的基础上积累经验,摸索模块化的市场需求,逐步完善企业内部的标准化和模块化,希望政府也能尽快开展电池模块化的市场分析,出台相关的标准,这样可以减少企业的产品型号,为大批量的生产奠定基础。

对于日益增长的需求,企业需要确保现有产品的稳定性和对未来产品的规划及技术储备,吸取日本等在锂离子电池方面研究较多的国家的经验和教训,不断提高我们的竞争力。

 


责任编辑:电子信息产业网
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