863專家談鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展?jié)摿?/h1>
7月16～18日于北京舉行的“第十六屆中國(guó)電動(dòng)車輛學(xué)術(shù)年會(huì)暨第二屆電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”上，中國(guó)國(guó)家“863計(jì)劃”動(dòng)力電池測(cè)試中心主任王子冬從市場(chǎng)和技術(shù)層面全面分析了全球鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展?jié)摿?。他指出，全?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/鋰離子">鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)正處于一個(gè)重大轉(zhuǎn)型期，在電動(dòng)車（EV）市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)規(guī)模在未來5年內(nèi)將超過2000億元人民幣。
王子冬首先以日產(chǎn)綠葉（Leaf）電動(dòng)車為例，介紹了鋰離子動(dòng)力電池的市場(chǎng)需求情況。該車將于2010年秋季上市，并計(jì)劃在2010年生產(chǎn)5萬輛，2012年生產(chǎn)20萬輛。以鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)量來看，每輛綠葉的電池容量為24kWh,20萬輛的容量相當(dāng)于48億kWh。這是目前全球手機(jī)鋰離子電池30億kWh市場(chǎng)的1.6倍。即一款汽車就可以完全改變整個(gè)市場(chǎng)狀態(tài)。目前，全球主要汽車制造商都已宣布要大規(guī)模生產(chǎn)采用鋰離子電池的電動(dòng)車，而日產(chǎn)只是其中一家而已。
誘人的行業(yè)前景吸引了業(yè)內(nèi)外大量投資
王子冬指出，電動(dòng)汽車的量產(chǎn)為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)帶來了重要的發(fā)展機(jī)會(huì)。按照上述測(cè)算，幾年之內(nèi)，鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)將超過全球手機(jī)鋰離子電池市場(chǎng)的規(guī)模。這種改變將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房的新一輪投資，同時(shí)，眾多新進(jìn)入鋰離子動(dòng)力電池及材料的廠商將使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈。
受到誘人行業(yè)前景的吸引，很多來自不同行業(yè)的廠商將目標(biāo)定位在電動(dòng)汽車市場(chǎng)，欲在鋰離子動(dòng)力電池商機(jī)中分一杯羹。
例如，索尼在2009年11月進(jìn)入了電動(dòng)汽車和大容量蓄電池領(lǐng)域，并表示未來幾年內(nèi)將在量產(chǎn)設(shè)施上投資1000億日元。三洋電機(jī)將在2015年前投資800億日元，松下也準(zhǔn)備在2012年前投入1230億日元。另外，三菱重工在其長(zhǎng)崎造船廠也投資了約100億日元建立實(shí)驗(yàn)基地，準(zhǔn)備從2010年開始年產(chǎn)66MWh容量的鋰離子動(dòng)力電池。
針對(duì)動(dòng)力電池領(lǐng)域，LG化學(xué)公司投資了約10億美元；三星SDI和博世共同成立的SBLiMotive也投資了6億美元。美國(guó)陶氏化學(xué)和韓國(guó)KokamEngineering及其他合作伙伴成立了合資公司，投資6億美元，計(jì)劃針對(duì)電動(dòng)車和混合動(dòng)力車年產(chǎn)約6萬塊的鋰離子動(dòng)力電池。
據(jù)王子冬介紹，中國(guó)的比亞迪和天津力神計(jì)劃將動(dòng)力電池生產(chǎn)容量提升至10億Wh。近期全國(guó)在動(dòng)力電池方面的投資總額約為22億美元。
鋰離子電池的應(yīng)用市場(chǎng)將從手機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)車及智能電網(wǎng)領(lǐng)域
王子冬給出的一系列數(shù)據(jù)表明，電動(dòng)車市場(chǎng)規(guī)模將從2009年的250億日元，激增至2010的3000億日元，并將在2012年超過便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)，達(dá)到15800億日元。2014年將達(dá)22500億日元。從上述數(shù)據(jù)可以看出，市場(chǎng)在5年內(nèi)將增長(zhǎng)90倍。
他接著分析表示，電動(dòng)汽車中的鋰離子電池容量比手機(jī)中的高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，目前手機(jī)中的鋰離子電池容量約為2-3Wh，而單一混合動(dòng)力車電池組的容量約為1kWh，約為前者的500倍；電動(dòng)車為20kWh，是前者的近1萬倍。
如果鋰離子動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，價(jià)格將會(huì)大幅下降，預(yù)計(jì)將在2015年降到約人民幣3750元/kWh，這時(shí)將有條件進(jìn)入鐵路運(yùn)輸和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。
隨著市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)價(jià)格降到約人民幣3750元/kWh時(shí)，鋰離子充電電池可考慮作為常備電池儲(chǔ)存電能，從而進(jìn)入成本敏感型市場(chǎng)。
另外，在太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，大容量鋰離子電池可儲(chǔ)存電能，以保證電網(wǎng)穩(wěn)定供電。而對(duì)于這種應(yīng)用，目前只有硫化鈉電池一種產(chǎn)品。
綜上所述，大容量鋰離子電池的應(yīng)用相當(dāng)廣闊。2015年后，甚至可以進(jìn)入公共建筑和家庭。
中國(guó)電網(wǎng)公司也在積極開展10MWh級(jí)的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的試驗(yàn)項(xiàng)目。
提高鋰離子電池能量密度
為了滿足電動(dòng)車等市場(chǎng)對(duì)鋰離子電池的需求，首先要研發(fā)新材料，以提升電池能量密度。近期目標(biāo)是120Wh/kg，遠(yuǎn)期目標(biāo)是 500Wh/kg。
全球各電池廠商已經(jīng)對(duì)陰正極、負(fù)極材料、隔膜與電解質(zhì)等關(guān)鍵元件做出選擇。通常，廠商們選擇的是日本廠商開發(fā)的材料。
據(jù)王子冬介紹，日立制作所與日立車輛能源于2010年1月開發(fā)出了插電式混合動(dòng)力車的鋰離子動(dòng)力電池，能量密度為120Wh/kg，在SOC為50%時(shí)，輸出功率密度為2400W/kg。
在開發(fā)中，為了提高能量密度，調(diào)整了原來電池中的電極活性物質(zhì)成分和電極厚度。為提高輸出功率密度，將導(dǎo)電材料碳調(diào)整為電流易流通的材料，降低了電極的內(nèi)部電阻。電池容量達(dá)25Ah，正極采用了錳（Mn）類材料，負(fù)極用的是碳材料。隔膜材料用耐熱陶瓷取代了原來的聚乙烯，保證隔膜在200℃高溫下不會(huì)收縮，并可防止正負(fù)極短路。同時(shí)，模擬分析了電池結(jié)構(gòu)及振動(dòng)等，提高了抗振性能。并通過調(diào)整集電結(jié)構(gòu)，確保了可靠性。
另外，日立最新一代混合動(dòng)力車鋰離子動(dòng)力電池的輸出功率密度已達(dá)4500W/kg，為散熱性更好的方形結(jié)構(gòu)，正極采用錳（Mn）類材料，負(fù)極是非晶碳材料。
王子冬表示，目前鋰離子動(dòng)力電池在車上占用的空間較大，成本很高，且能量密度僅為90～120Wh/kg，仍然無法滿足電動(dòng)車長(zhǎng)距離出行的需要。因此，各電池廠商仍需進(jìn)一步改善能量密度、輸出功率密度、成本與安全性。希望能在2015年～2020年開發(fā)出能量密度達(dá)200～300Wh/kg的第二代材料。
主要材料體系特點(diǎn)分析
目前，全球廠商正在研究的主要材料體系包括：
1．磷酸鐵鋰正極材料的五年定型和一致性工藝研究。材料安全性好，壽命長(zhǎng)。主要為美國(guó)專利。
2． 長(zhǎng)壽命錳酸鋰材料研究。通過摻雜和生產(chǎn)工藝改進(jìn)，提高高溫穩(wěn)定性。材料價(jià)格低，比能量高。目前工藝技術(shù)和設(shè)備由日本廠商掌握。
3． 鈦酸鋰材料作負(fù)極的研究。提高比能量，降低成本。材料安全性好，壽命長(zhǎng)，充放電比功率高。主要為美國(guó)專利。
4．混合電容—電池的結(jié)構(gòu)和工藝研究。材料壽命長(zhǎng)，充放電比功率高，價(jià)格低，安全性好。目前中、日、韓均在進(jìn)行此項(xiàng)研究，中國(guó)已有產(chǎn)品問世，不存在國(guó)外專利保護(hù)問題。
圖1 電容電池技術(shù)的發(fā)展
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
7月16～18日于北京舉行的“第十六屆中國(guó)電動(dòng)車輛學(xué)術(shù)年會(huì)暨第二屆電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”上，中國(guó)國(guó)家“863計(jì)劃”動(dòng)力電池測(cè)試中心主任王子冬從市場(chǎng)和技術(shù)層面全面分析了全球鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展?jié)摿?。他指出，全?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/鋰離子">鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)正處于一個(gè)重大轉(zhuǎn)型期，在電動(dòng)車（EV）市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)規(guī)模在未來5年內(nèi)將超過2000億元人民幣。
王子冬首先以日產(chǎn)綠葉（Leaf）電動(dòng)車為例，介紹了鋰離子動(dòng)力電池的市場(chǎng)需求情況。該車將于2010年秋季上市，并計(jì)劃在2010年生產(chǎn)5萬輛，2012年生產(chǎn)20萬輛。以鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)量來看，每輛綠葉的電池容量為24kWh,20萬輛的容量相當(dāng)于48億kWh。這是目前全球手機(jī)鋰離子電池30億kWh市場(chǎng)的1.6倍。即一款汽車就可以完全改變整個(gè)市場(chǎng)狀態(tài)。目前，全球主要汽車制造商都已宣布要大規(guī)模生產(chǎn)采用鋰離子電池的電動(dòng)車，而日產(chǎn)只是其中一家而已。
誘人的行業(yè)前景吸引了業(yè)內(nèi)外大量投資
王子冬指出，電動(dòng)汽車的量產(chǎn)為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)帶來了重要的發(fā)展機(jī)會(huì)。按照上述測(cè)算，幾年之內(nèi)，鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)將超過全球手機(jī)鋰離子電池市場(chǎng)的規(guī)模。這種改變將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房的新一輪投資，同時(shí)，眾多新進(jìn)入鋰離子動(dòng)力電池及材料的廠商將使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈。
受到誘人行業(yè)前景的吸引，很多來自不同行業(yè)的廠商將目標(biāo)定位在電動(dòng)汽車市場(chǎng)，欲在鋰離子動(dòng)力電池商機(jī)中分一杯羹。
例如，索尼在2009年11月進(jìn)入了電動(dòng)汽車和大容量蓄電池領(lǐng)域，并表示未來幾年內(nèi)將在量產(chǎn)設(shè)施上投資1000億日元。三洋電機(jī)將在2015年前投資800億日元，松下也準(zhǔn)備在2012年前投入1230億日元。另外，三菱重工在其長(zhǎng)崎造船廠也投資了約100億日元建立實(shí)驗(yàn)基地，準(zhǔn)備從2010年開始年產(chǎn)66MWh容量的鋰離子動(dòng)力電池。
針對(duì)動(dòng)力電池領(lǐng)域，LG化學(xué)公司投資了約10億美元；三星SDI和博世共同成立的SBLiMotive也投資了6億美元。美國(guó)陶氏化學(xué)和韓國(guó)KokamEngineering及其他合作伙伴成立了合資公司，投資6億美元，計(jì)劃針對(duì)電動(dòng)車和混合動(dòng)力車年產(chǎn)約6萬塊的鋰離子動(dòng)力電池。
據(jù)王子冬介紹，中國(guó)的比亞迪和天津力神計(jì)劃將動(dòng)力電池生產(chǎn)容量提升至10億Wh。近期全國(guó)在動(dòng)力電池方面的投資總額約為22億美元。
鋰離子電池的應(yīng)用市場(chǎng)將從手機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)車及智能電網(wǎng)領(lǐng)域
王子冬給出的一系列數(shù)據(jù)表明，電動(dòng)車市場(chǎng)規(guī)模將從2009年的250億日元，激增至2010的3000億日元，并將在2012年超過便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)，達(dá)到15800億日元。2014年將達(dá)22500億日元。從上述數(shù)據(jù)可以看出，市場(chǎng)在5年內(nèi)將增長(zhǎng)90倍。
他接著分析表示，電動(dòng)汽車中的鋰離子電池容量比手機(jī)中的高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，目前手機(jī)中的鋰離子電池容量約為2-3Wh，而單一混合動(dòng)力車電池組的容量約為1kWh，約為前者的500倍；電動(dòng)車為20kWh，是前者的近1萬倍。
如果鋰離子動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，價(jià)格將會(huì)大幅下降，預(yù)計(jì)將在2015年降到約人民幣3750元/kWh，這時(shí)將有條件進(jìn)入鐵路運(yùn)輸和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。
隨著市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)價(jià)格降到約人民幣3750元/kWh時(shí)，鋰離子充電電池可考慮作為常備電池儲(chǔ)存電能，從而進(jìn)入成本敏感型市場(chǎng)。
另外，在太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，大容量鋰離子電池可儲(chǔ)存電能，以保證電網(wǎng)穩(wěn)定供電。而對(duì)于這種應(yīng)用，目前只有硫化鈉電池一種產(chǎn)品。
綜上所述，大容量鋰離子電池的應(yīng)用相當(dāng)廣闊。2015年后，甚至可以進(jìn)入公共建筑和家庭。
中國(guó)電網(wǎng)公司也在積極開展10MWh級(jí)的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的試驗(yàn)項(xiàng)目。
提高鋰離子電池能量密度
為了滿足電動(dòng)車等市場(chǎng)對(duì)鋰離子電池的需求，首先要研發(fā)新材料，以提升電池能量密度。近期目標(biāo)是120Wh/kg，遠(yuǎn)期目標(biāo)是 500Wh/kg。
全球各電池廠商已經(jīng)對(duì)陰正極、負(fù)極材料、隔膜與電解質(zhì)等關(guān)鍵元件做出選擇。通常，廠商們選擇的是日本廠商開發(fā)的材料。
據(jù)王子冬介紹，日立制作所與日立車輛能源于2010年1月開發(fā)出了插電式混合動(dòng)力車的鋰離子動(dòng)力電池，能量密度為120Wh/kg，在SOC為50%時(shí)，輸出功率密度為2400W/kg。
在開發(fā)中，為了提高能量密度，調(diào)整了原來電池中的電極活性物質(zhì)成分和電極厚度。為提高輸出功率密度，將導(dǎo)電材料碳調(diào)整為電流易流通的材料，降低了電極的內(nèi)部電阻。電池容量達(dá)25Ah，正極采用了錳（Mn）類材料，負(fù)極用的是碳材料。隔膜材料用耐熱陶瓷取代了原來的聚乙烯，保證隔膜在200℃高溫下不會(huì)收縮，并可防止正負(fù)極短路。同時(shí)，模擬分析了電池結(jié)構(gòu)及振動(dòng)等，提高了抗振性能。并通過調(diào)整集電結(jié)構(gòu)，確保了可靠性。
另外，日立最新一代混合動(dòng)力車鋰離子動(dòng)力電池的輸出功率密度已達(dá)4500W/kg，為散熱性更好的方形結(jié)構(gòu)，正極采用錳（Mn）類材料，負(fù)極是非晶碳材料。
王子冬表示，目前鋰離子動(dòng)力電池在車上占用的空間較大，成本很高，且能量密度僅為90～120Wh/kg，仍然無法滿足電動(dòng)車長(zhǎng)距離出行的需要。因此，各電池廠商仍需進(jìn)一步改善能量密度、輸出功率密度、成本與安全性。希望能在2015年～2020年開發(fā)出能量密度達(dá)200～300Wh/kg的第二代材料。
主要材料體系特點(diǎn)分析
目前，全球廠商正在研究的主要材料體系包括：
1．磷酸鐵鋰正極材料的五年定型和一致性工藝研究。材料安全性好，壽命長(zhǎng)。主要為美國(guó)專利。
2． 長(zhǎng)壽命錳酸鋰材料研究。通過摻雜和生產(chǎn)工藝改進(jìn)，提高高溫穩(wěn)定性。材料價(jià)格低，比能量高。目前工藝技術(shù)和設(shè)備由日本廠商掌握。
3． 鈦酸鋰材料作負(fù)極的研究。提高比能量，降低成本。材料安全性好，壽命長(zhǎng)，充放電比功率高。主要為美國(guó)專利。
4．混合電容—電池的結(jié)構(gòu)和工藝研究。材料壽命長(zhǎng)，充放電比功率高，價(jià)格低，安全性好。目前中、日、韓均在進(jìn)行此項(xiàng)研究，中國(guó)已有產(chǎn)品問世，不存在國(guó)外專利保護(hù)問題。
圖1 電容電池技術(shù)的發(fā)展
評(píng)論