電動(dòng)汽車鋰電池四大難關(guān)待突破
2010年11月25日 9:28 4727次瀏覽 來源: 中國能源信息網(wǎng) 分類: 稀土
電動(dòng)汽車之所以成本高,最主要的原因是鋰電池的成本太高,其成本已超過整車的三分之一。而鋰電池成本高的原因與其涉及的化工材料密切相關(guān)。
11月25日消息 2010年10月中旬,我國正式將新能源汽車作為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一,插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車被涵蓋其中。但是,目前由于制造成本太高,國家正在對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行高額補(bǔ)貼。電動(dòng)汽車之所以成本高,最主要的原因是鋰電池的成本太高,其成本已超過整車的三分之一。而鋰電池成本高的原因與其涉及的化工材料密切相關(guān)。
正極材料
鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳錳鈷三元材料及磷酸鐵鋰等。其中,磷酸鐵鋰由于具有另外幾種材料所不具備的循環(huán)壽命、安全和材料成本方面的潛在優(yōu)勢,而被業(yè)界看作理想的正極材料。目前存在的問題,一是主要原料電子級(jí)碳酸鋰(碳酸鋰含量在99.5%以上)大部分來自進(jìn)口,二是磷酸鐵鋰生產(chǎn)技術(shù)也來自國外。
據(jù)了解,電子極碳酸鋰可由鋰礦石或鹽湖中提取出碳酸鋰再提純而來。我國鋰資源居世界第二,但由于技術(shù)問題,國內(nèi)礦石提取碳酸鋰再提純?yōu)殡娮訕O碳酸鋰的產(chǎn)量很低。鹽湖提取電子級(jí)碳酸鋰目前還沒有產(chǎn)品問世。所以只能從國外大量進(jìn)口電子級(jí)碳酸鋰。因?yàn)檫M(jìn)口量大,導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)基本沒有定價(jià)權(quán),完全由國外廠商說了算。
在技術(shù)上,我國磷酸鐵鋰發(fā)展本來與國際基本同步,但國內(nèi)尚未誕生真正的領(lǐng)軍企業(yè),行業(yè)缺乏原始創(chuàng)新技術(shù)。目前,國際上在磷酸鐵鋰電池行業(yè)處于領(lǐng)先地位的企業(yè)主要有3家,分別是美國的高博(A123)公司和威能(Valence)公司以及加拿大的佛斯泰克(Phostech)公司。磷酸鐵鋰技術(shù)在國外被看作戰(zhàn)略性技術(shù),美國、加拿大等政府為此不惜以國家的力量參與技術(shù)壁壘的建立。
在磷酸鐵鋰材料領(lǐng)域,有兩大核心技術(shù)專利,其中一個(gè)是包敷碳技術(shù),另一個(gè)是碳熱還原技術(shù)。前者由加拿大佛斯泰克公司擁有獨(dú)家使用權(quán),并且已經(jīng)在我國申請(qǐng)專利。后者的專利權(quán)由美國高博公司所有,目前尚未在我國申請(qǐng)專利,但是該公司現(xiàn)已在蘇州成立了2家公司,分別負(fù)責(zé)磷酸鐵鋰材料的生產(chǎn)和電池制造。磷酸鐵鋰電池方面的核心專利被幾家外國公司掌握,外國公司專利轉(zhuǎn)讓至中國企業(yè)將會(huì)面臨高昂的專利許可費(fèi),對(duì)該產(chǎn)業(yè)構(gòu)成巨大的潛在威脅。
要想擺脫在產(chǎn)業(yè)鏈中低端、被動(dòng)的地位,就要從三方面努力:一是通過技術(shù)研發(fā)從而加快國內(nèi)磷酸鐵鋰專利申請(qǐng)。二是圍繞國外企業(yè)的核心專利在外圍進(jìn)行布局。三是加強(qiáng)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池組合控制方面的研究。
電解液
電解液在鋰電池正、負(fù)極之間起到傳導(dǎo)電子的作用,是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證。電解液一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配制而成的。
鋰電池主要使用的電解質(zhì)有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。但用高氯酸鋰制成的電池低溫效果不好,有爆炸的危險(xiǎn),日本和美國已禁止使用。而用含氟鋰鹽制成的電池性能好,無爆炸危險(xiǎn),適用性強(qiáng),特別是用六氟磷酸鋰制成的電池,除上述優(yōu)點(diǎn)外,將來廢棄電池的處理工作相對(duì)簡單,對(duì)生態(tài)環(huán)境友好,因此該類電解質(zhì)的市場前景十分廣泛。
目前電解液配套基本已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,但軟肋是占電解液成本約一半的電解質(zhì)六氟磷酸鋰,國內(nèi)基本沒有企業(yè)能夠生產(chǎn)。目前六氟磷酸鋰市場被幾家日本企業(yè)如關(guān)東電化學(xué)工業(yè)、蘇特瑞克秘法(SUTERAKEMIFA)、森田化學(xué)等壟斷。全球六氟磷酸鋰產(chǎn)能在4000噸/年左右。日本這3家廠商其產(chǎn)能在3430噸/年,占全球產(chǎn)能的85%左右。我國天津金牛電源材料有限責(zé)任公司目前的產(chǎn)能只有250噸/年,并且不對(duì)外出售。國內(nèi)電解液生產(chǎn)廠家所用的六氟磷酸鋰主要從日本和德國進(jìn)口。
出現(xiàn)這一狀況的的主要原因是六氟磷酸鋰的技術(shù)門檻相當(dāng)高。六氟磷酸鋰要求純度高、水分低,但由于產(chǎn)品本身極易吸潮分解,因此生產(chǎn)難度極大,對(duì)原料及設(shè)備要求苛刻,屬于典型的高科技、高危生產(chǎn)環(huán)境、高難生產(chǎn)的‘三高’技術(shù)產(chǎn)品。六氟磷酸鋰的三大主要原料是五氯化磷、無水氫氟酸和氟化鋰,其中又以后兩者的生產(chǎn)難度最大,需要國內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)工藝上取得突破。
隔膜
隔膜在鋰電池中起著防止正、負(fù)極短路的作用,并在鋰電池充放電過程中提供鋰離子運(yùn)輸通道。簡而言之,隔膜就是一層多孔的塑料薄膜。但它直接影響了電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能。在鋰電池的部件中它是技術(shù)含量最高的,占鋰電池成本的20%~30%。而目前我國80%的鋰電池隔膜依靠進(jìn)口。
隔膜技術(shù)含量高的原因在于它的造孔工藝難度大。目前國際上隔膜的主流產(chǎn)品是經(jīng)橫向和縱向精密拉伸的單層聚丙烯(PP)納米微孔膜、單層聚乙烯(PE)納米微孔膜、PP/PE/PP三層復(fù)合納米微孔膜等類型。以雙向精密拉伸法來生產(chǎn)PE、PP隔膜,是一個(gè)多步驟、復(fù)雜而精密的加工過程,包括吹塑、流延制膜、連續(xù)精密拉伸等多個(gè)重要環(huán)節(jié)。國產(chǎn)隔膜在厚度的均勻度和孔的均勻度上與國外存在很大差距。目前國際和國內(nèi)市場基本被幾家實(shí)力強(qiáng)大的國外廠商掌控,如美國的卡爾格德(Celgard)、恩特凱(Entek),日本的旭化成、東燃等。
國內(nèi)許多企業(yè)都在嘗試突破國外技術(shù)壁壘,開發(fā)鋰電池隔膜,但難度較大。難度主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:一是傳統(tǒng)制備隔膜工藝的相關(guān)專利基本被美國和日本的少數(shù)企業(yè)所壟斷,我國在生產(chǎn)技術(shù)方面缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);二是國內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)隔膜的關(guān)鍵技術(shù)方面特別是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面較為欠缺,很多企業(yè)在小試時(shí)往往能夠拿出較好的樣品,但大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品的一致性較差;三是我國在新工藝、新方法的研究方面與國際同步,但新的工藝往往對(duì)設(shè)備和工藝過程控制要求較高,我國的精密加工設(shè)備基礎(chǔ)比較薄弱,限制了產(chǎn)業(yè)化。
盡管難度大,但是國產(chǎn)隔膜已經(jīng)開始起步。現(xiàn)在國內(nèi)一些企業(yè)在國產(chǎn)化方面已取得了一些技術(shù)突破,如深圳市星源材質(zhì)科技股份有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、河南新鄉(xiāng)格瑞恩新能源材料股份有限公司等,這些公司都已生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋰電池隔膜,但目前大多是供應(yīng)中、低端市場,還需要膜技術(shù)的進(jìn)一步成熟。
隨著新能源汽車的逐漸推廣,到2012年,預(yù)計(jì)新能源汽車將令鋰電池隔膜的需求量翻10倍。解決了隔膜的國產(chǎn)化問題,不僅對(duì)鋰電池行業(yè),對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展都將具有革命性的意義。
負(fù)極
負(fù)極材料技術(shù)含量比較低,一般用石墨做負(fù)極,是國內(nèi)鋰離子電池四大關(guān)鍵組件中唯一實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的材料。國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)含量低的領(lǐng)域,做得頗有成就。深圳貝特瑞新能源材料有限責(zé)任公司、上海杉杉科技有限公司等已經(jīng)躋身世界級(jí)公司。其中,深圳貝特瑞市場占有率已居全球第二??蛻舭ㄋ上?、三星、日立、比亞迪等130多家廠商。
但是,石墨負(fù)極材料雖成功商品化,可由于碳作為負(fù)極總是存在一些難以克服的弱點(diǎn),未來肯定要被非碳材料取代。因?yàn)槭陔娊庖褐袝?huì)形成鈍化膜,該膜雖可傳遞鋰離子,但會(huì)引起能量的損耗。而且當(dāng)電池過充電時(shí),石墨負(fù)極表面會(huì)析出金屬鋰從而引起電池短路。隨著溫度的升高,嵌鋰狀態(tài)下的石墨負(fù)極將首先與電解液發(fā)生放熱反應(yīng),有可能會(huì)生成易燃?xì)怏w,發(fā)生燃燒。所以石墨不是最理想的負(fù)極材料,尋找性能更為良好的非碳負(fù)極材料是鋰離子電池研究的重要課題。
盡管當(dāng)前人們廣泛研究了各種非碳負(fù)極材料,特別是近年來納米結(jié)構(gòu)的非碳負(fù)極材料如錫的復(fù)合氧化物、鈦氧化合物及鈦酸鹽類化合物等,受到許多鋰電工作者的關(guān)注,但是這些材料還有許多問題沒有解決,仍然無法大量應(yīng)用,還需要生產(chǎn)路線和工藝的不斷改進(jìn)。
責(zé)任編輯:仁可
如需了解更多信息,請(qǐng)登錄中國有色網(wǎng):www.yemianfei8.com了解更多信息。
中國有色網(wǎng)聲明:本網(wǎng)所有內(nèi)容的版權(quán)均屬于作者或頁面內(nèi)聲明的版權(quán)人。
凡注明文章來源為“中國有色金屬報(bào)”或 “中國有色網(wǎng)”的文章,均為中國有色網(wǎng)原創(chuàng)或者是合作機(jī)構(gòu)授權(quán)同意發(fā)布的文章。
如需轉(zhuǎn)載,轉(zhuǎn)載方必須與中國有色網(wǎng)( 郵件:cnmn@cnmn.com.cn 或 電話:010-63971479)聯(lián)系,簽署授權(quán)協(xié)議,取得轉(zhuǎn)載授權(quán);
凡本網(wǎng)注明“來源:“XXX(非中國有色網(wǎng)或非中國有色金屬報(bào))”的文章,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不構(gòu)成投資建議,僅供讀者參考。
若據(jù)本文章操作,所有后果讀者自負(fù),中國有色網(wǎng)概不負(fù)任何責(zé)任。