设备与材料

锂电池正极材料标准:点“石”成金的密码

作者:王彦华来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2014-04-18 18:50我要评论

编者按:标准是构成国家核心竞争力的基本要素,是规范经济和社会发展的重要技术制度。由中关村标准故事编委会组织编写,北京市市委常委苟仲文、工业和信息化部副部长杨学山作序,《中国电子报》多位记者参与撰写的《中关村标准故事——探秘标准创新 引领产业发展》一书已经正式出版。书中的30个故事从不同侧面记述了中关村企业在实施标准化战略的实践中,自主创新、不懈求索的历程与成就。《中国电子报》特摘登该书电子信息技术标准相关章节,以飨读者。

当今信息时代,流行这样一个说法:人可以一天不吃饭,但手机不能一刻没有电。因此,被称为移动设备“粮食”的锂电池成为新的生活“必需品”,而制造这些“必需品”的原料——钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂,看起来似乎是一堆不起眼的“石头”粉末,但经过盟固利公司“点石成金”的妙手,变成一颗颗亮闪闪的锂电池。

10多年前,一批海外学子回国创立了中信国安盟固利电源技术有限公司(简称盟固利),从公司成立后的第4个年头开始,便陆续提出并制定了钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等国家和行业标准,让锂电池更轻巧、更耐用、更环保。

图为上海世博会纯电动公交车充电站

香河会议:钴酸锂标准横空出世

生产上去了,经营上去了,但是盟固利公司知道,只有制定标准才可以反映出一个行业的水平:产业先进则标准先进,产业落后则标准落后,只有产业发展到了一定先进的水平,才能制定出先进的标准。

2004年8月,河北香河,烈日炎炎。然而中心宾馆大会议厅里的气氛堪比室外如火的骄阳。由盟固利公司组织的讨论会正在这里举行,一场有关钴酸锂国家标准的巅峰对决在这里拉开了大幕。锂电池正极材料界的领军人物来了,全国有色金属标准化技术委员会的专家来了,业内生产企业如北京当升和北大先行等也来了,各路钴酸锂研发生产技术精英把会议大厅挤个满满堂堂。与会专家们对钴酸锂国家标准的制定进行了激烈的讨论。

当时,钴酸锂产品在行业内的认识很不统一,例如对于产品的“3.6V平台容量比率”这一指标,各生产企业很少对此进行研究,而且也未认识到这个指标对于产品的性能有什么影响;另外,日本锂电池正极材料行业内也没有这个概念,所以刚开始有相当一部分专家不赞成在标准中加入对这个指标的控制,但也有部分专家和企业包括盟固利公司坚持应该加入这个指标。虽然日本没有这个概念,但盟固利公司在研发和生产过程中积累了很多经验和数据,可以证明这个指标对于衡量电池材料是有作用的。经过激烈的争论,与会专家最终一致同意将该指标作为控制标准。

这一点刚达成一致,产品的“振实密度”又成了大家争论的另一个焦点。大家对于控制产品的“振实密度”这个指标倒是没有异议,但是对于振实密度具体应该达到什么样的标准存有较大的争议,有些专家认为应该大于2.2g/cm3,甚至认为应该达到2.4g/cm3以上,可是对于部分生产企业,可能达不到这个指标。为了能够使该标准具有广泛的适用性,而不是仅限于几个企业使用,最终确定将产品振实密度的指标定为“不小于1.8g/cm3”。讨论会就是在这种思想风暴、技术交锋中,走向了意见统一,提高了行业内对钴酸锂产品的认识,增加了标准的适用性。

此次会议的结果对中国钴酸锂国家标准的创建与发展产生了深远的影响,对钴酸锂提出了前所未有的术语和定义,使钴酸锂国家标准的制定大大向前推进了一步。

2000年盟固利公司成立的时候,锂电池产业在我国也是刚刚起步,行业内没有相应的标准,就连锂电池材料研发生产比较先进的日本,也没有相应的国家和行业标准。当时,我国生产企业各自为战,产品质量和技术水平良莠不齐,急需一部业界标准来指导行业的发展。

最开始,钴酸锂国家标准的制定项目并未交给盟固利公司,而是交给了其他机构。但该标准在其后期的制定过程中,遇到了前所未有的困难,致使该项目难以完成。此时,盟固利公司凭借自己的技术实力接手了该项目。

盟固利公司虽然对钴酸锂材料有深入了解,但制定钴酸锂国家标准尚属首次,故面临着巨大的技术挑战;且当时还遇到资金短缺的掣肘,从国家和地方政府那里基本上得不到资助,真可谓困难重重。然而他们迎难而上,一定要争分夺秒地找到相应的检测方法和产品的性能指标,而这每一项工作都是一个新的课题。为了能够完成这项标准的制定,盟固利公司从上到下全体员工度过了多少个不眠之夜,进行了大量的调研和试验,最终确定了产品的性能控制标准和测试方法。通过自筹资金,从公司的营业收入中拿出一部分资金专门用于标准的制定和实施,解决了资金缺口问题。在钴酸锂标准的制定过程中,为了使标准在后续的实施过程中能够获得更多企业和单位的采用,以增加标准的适应性,他们组织全行业内的多名专家和企业代表,举办了上述大型标准研讨会,统一了意见和看法。功夫不负有心人,盟固利人顶住了压力,克服了种种困难,最终推出了钴酸锂国家标准,填补了国内空白,在标准制定史上画上了浓重的一笔。

专家鉴定得出结论:这项国家标准规定的技术指标达到了国际先进水平,表明了中国锂电池正极材料已经可以与国际水平相媲美。

盟固利公司之所以能够担当制定国家标准的重任,是与他们在锂电池材料方面深厚的技术积累分不开的。

该公司自2000年成立以来,一直致力于锂电池正极材料的生产和销售。他们生产的钴酸锂产品占据了国内1/3的市场,2007年钴酸锂生产总计975吨,锰酸锂生产65吨;2008年钴酸锂生产1300余吨,锰酸锂生产75吨。2001年4月,他们建立了国内第一条大规模钴酸锂生产线;2003年6月建成了锰酸锂生产线;2004年11月建成了镍酸锂生产线。目前,已经达到年产2500吨钴酸锂、500吨锰酸锂、300吨镍酸锂的规模产能。他们在锂离子电池材料的物理、化学与电化学性能研究与测试方面积累了大量的经验。

生产上去了,经营上去了,但是盟固利公司知道,只有制定标准才可以反映出一个行业的水平:产业先进则标准先进,产业落后则标准落后,只有产业发展到了一定先进的水平,才能制定出先进的标准。

制定标准的企业都是本行业内的龙头企业。盟固利公司创业成功,在国内业界崭露头角,已成为锂电池行业的领军企业,具备了先进的技术和产业水平。因而创业不久,便有幸承接了制定该行业国家标准的任务,踏上了制定锂电池材料国家和行业标准的征程。

在后续标准的制定工作中,盟固利公司从未放慢脚步。他们借鉴先前制定钴酸锂国家标准的经验,先后又制定了“锰酸锂”行业标准和“镍酸锂”国家标准。

北京奥运:锰酸锂应用跨出大步

经过盟固利公司的不懈努力,2008年北京奥运会纯电动公交车的“零抛锚”和“零故障”目标得以实现。对电池而言,材料性能的提高必定带动电池性能的提升。

盟固利公司的员工已经好几天没有回家了。55辆2008年北京奥运会使用的纯电动公交车车载电池全部由盟固利公司生产,而该电池所采用的正极材料——锰酸锂,全部是由盟固利公司提供的。在2008年北京奥运会前夕,为了实现“零抛锚”和“零故障”这个目标,确保纯电动公交车在北京奥运会期间万无一失,盟固利公司的工作人员加班加点,对电动车运行过程中出现的每一个细微的征兆都不放过。

盟固利负责电池安全的主管领导发现一个很容易被忽略的现象:有一电池组在充电过程中比其他电池组的电压略低,发现这个现象后马上停止对电池组充电。而当天正好是周末,电池组的周转也存在问题,无法从其他地方调回电池组进行补充。但为了更快地查找到原因,决定立即停运该辆电动车,召集工作人员将电池运回公司,大家纷纷从四面八方赶回公司。经过拆解电池并逐级排查原因,发现电池模块存在一些问题,有一个单体电池已经出现发热的现象。为了避免类似情况的发生,盟固利公司制定了标准的工作制度,将整个工作流程标准化,所有的工作人员都必须按照标准工作流程进行操作。实施标准化工作流程后,再没有出现类似的问题。经过盟固利公司的不懈努力,2008年北京奥运会纯电动公交车的“零抛锚”和“零故障”目标得以实现。

电动汽车取代能耗高、污染严重的传统汽车已经成为汽车产业的发展趋势。以锰酸锂为正极材料的动力电池不仅成功地应用到2008年北京奥运会上,而且在2010年上海世博会上也得到了应用,盟固利公司提供了60辆电动公交车所配备的锰酸锂电池。

在目前纯电动汽车因价格过高而无法商业化的情况下,各国政府和跨国企业纷纷转而优先发展汽电混合动力车。自1997年日本丰田首先推出汽电混合动力车以来,到2009年,累计销售201.7万辆,累计减少1100万吨二氧化碳的排放。经过几年的发展,使原本处于起步阶段的锂离子电池正极材料得到了迅速发展。

目前,国内已经成长起来十几家大型正极材料生产企业,电池生产企业也如雨后春笋般地发展起来。仅深圳一个市就有近千家电池生产企业。中国锂电池行业的迅速发展与盟固利公司积极推动相关标准的发布、实施关系密切。

标准的生命在于应用。钴酸锂、锰酸锂等标准的实施,加速了上游锂资源的开发速度,加大了其开发规模,提高了其控制技术,使碳酸锂从工业级逐渐转变为电池级,数量也以几何级数增长。碳酸锂的大量使用又带动了锂资源的开发。同样,锰资源、镍资源也得到了有效的开发和利用。对于下游产业的带动可以从电池的容量上明显表现出来。18650型锂离子电池从1100mAh,提高到1500mAh,仍不能满足市场的需求,后来又提高到2000mAh以上,目前已经向着3000mAh乃至4000mAh的方向迈进了。

从我们身边就可以看到:照相机的电池在不改变其体积大小的情况下,可以拍的照片越来越多了;手机的功能越来越丰富了。这些跟产业标准的实施是分不开的。

同时,通过标准的制定,能够带动当地产业的发展,北京市就是一个很好的例子。北京没有锂、锰矿产资源,北京市企业一方面通过入股直接参与外地资源的开发;另一方面,通过标准的实施,强化了对资源利用的话语权。

对于锂离子电池材料行业来说,所制定的钴酸锂和锰酸锂等标准具有行业先进性。标准所要求的指标相对较高,行业内的企业想要达到这种标准,必须进行技术革新,技术革新的同时则形成了相应的专利。

作为电池材料,离不开上游的原材料,也离不开下游的电池生产。标准要求的指标相对较高,使得企业不得不采用新的技术和先进的测试方法,这样,精密测试仪器得到了大力的发展。标准对原料的要求不断提高,且对原材料的品种要求也越来越多,这就促进了上游原材料的发展。

对电池而言,材料性能的提高必定带动电池性能的提升,因而带动了电池的下游产业——电子信息产业的发展,从而使其进入了空前的发展时期。

延伸阅读

国际化接轨续写锂电池正极材料标准新篇

盟固利公司继钴酸锂、锰酸锂标准之后,又主导制定或参与制定了“镍酸锂”国家标准。同时,还包括钴酸锂相关的4个测试方法的国家标准、镍钴锰酸锂行业标准、钛酸锂行业标准和三元产品的两个测试方法的行业标准。目前正在进行钴酸锂国家标准的修订,而且也就富锂锰基正极材料的国家标准提出了立项建议。

但盟固利公司的标准之路并非一帆风顺。由盟固利公司提出的镍钴锰酸锂测试方法标准即《镍钴锰酸锂化学分析方法 第1部分:镍钴锰总量的测定 EDTA滴定法》和《镍钴锰酸锂化学分析方法 第2部分:锂、镍、钴、锰、钠、镁、铝、钾、铜、钙、铁、锌和硅量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》,由于前期的工作不到位而未通过审定。对此,盟固利公司认为这是一件好事:“我们不是为了‘制定标准’而制定标准。我们所期待的效果是,根据我们的测试方法制定的行业标准发布实施后,整个行业内都采用这个标准,供需双方因测试方法的不一致而产生的纠纷可以完全避免,而且可以大大提高行业内镍钴锰酸锂产品测试的准确度、精确度,同时可以大大降低测试成本。能够为行业内做出这样的贡献是我们所期望的。”

盟固利公司为自己的下一步工作提出了更高的要求:“国内的标准化工作与国际相比,整体上还是比较落后的。盟固利公司必须借鉴国际行业标准,制定出适合我们自己的标准,才能使得我们的产业快速发展,缩小与国际的差距。目前,全世界各国标准有相互接近甚至统一的趋势,这是贸易国际化要求的结果,我们必须制定与国际接轨的标准或干脆直接参与国际标准的制定,才能使我们在国际上更有发言权。”

自2004年到现在,盟固利公司在标准制定的路上历经风雨,一路走来,总结出了“点石成金”的“密码”:第一,在标准提出之际,要对行业进行深入的调研、试验、统计和分析,对技术进行革新,对测试方法进行充分的验证。第二,对于将要制定的标准,要组织大量的业内专家进行充分的讨论,听取各方意见,考虑标准的全国或行业适用性,制定合理的控制标准。第三,对于企业的标准化工作要给予足够的重视。企业应积极参与标准的制定,主动推进标准的应用,并给予相关的资金支持,在企业内部成立专门的标准化工作组,不断培养标准化方面的人才。第四,学习国际先进的标准管理体系。国外标准化要领先于中国几十年,积极向国际先进标准学习,可能缩短我们的标准化时间,加快标准化进程。

产业提升,标准先行,标准在降低生产成本、提高效益和实现可持续发展方面发挥着重要作用。事实证明,标准意味着市场认可的新技术与新规范。谁主导了标准,谁就占据了市场竞争的制高点。自主创新是标准的灵魂,避免受制于人就应当让自主创新成为促进产业技术升级、提高国际竞争力和抗风险能力的核心战略。对于前沿锂电池正极材料,盟固利公司也提交了国家标准的立项申请,并期望在该标准的制定过程中,联合国内同行业其他知名企业和研究院所共同制定该标准,掌握该前沿材料的核心技术,并形成行业内的战略联盟,以期与国外同行相抗衡,提升国内企业在国际上的话语权。

盟固利公司是专门研发和生产锂电池正极材料的企业,目前行业内主要的锂电池正极材料为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂和镍钴锰酸锂,这些产品的国家标准和行业标准都是由盟固利公司主导或参与制定的,盟固利公司希望在以后每一种锂电池正极材料的产品标准和测试方法的标准中都能看到他们的“身影”,希望全行业都能采用他们制定的标准,甚至国外电池材料技术发达的国家也采用或借鉴他们制定的标准。这既是一种贡献,也是一种荣誉!


责任编辑:苏滢
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