動力锂電池四大技術難關
- 分類:電池優化(huà)(huà)技術
- 作者:
- 來源:
- 發布時間:2020-10-14
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【概要描述】目前由于制(zhì)造成本太高,國(guó)家正在對電動汽車(chē)進行高額補貼。電動汽車(chē)之所以成本高,最主要的原因是锂電池的成本太高,其成本已超過整車(chē)的三分之一(yī)。
動力锂電池四大技術難關
【概要描述】目前由于制(zhì)造成本太高,國(guó)家正在對電動汽車(chē)進行高額補貼。電動汽車(chē)之所以成本高,最主要的原因是锂電池的成本太高,其成本已超過整車(chē)的三分之一(yī)。
- 分類:電池優化(huà)(huà)技術
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- 發布時間:2020-10-14
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目前由于制(zhì)造成本太高,國(guó)家正在對電動汽車(chē)進行高額補貼。電動汽車(chē)之所以成本高,最主要的原因是锂電池的成本太高,其成本已超過整車(chē)的三分之一(yī)。而锂電池成本高的原因與其涉及的化(huà)(huà)工(gōng)材料密切相(xiàng)關。
正極材料
锂電池的正極材料主要有钴酸锂、錳酸锂、鎳錳钴三元材料及磷酸鐵(tiě)锂等。其中(zhōng),磷酸鐵(tiě)锂由于具有另外幾種材料所不(bù)具備的循環壽命、安全和材料成本方面的潛在優勢,而被業(yè)界看(kàn)作理想的正極材料。目前存在的問(wèn)題,一(yī)是主要原料電子級碳酸锂(碳酸锂含量在99.5%以上)大部分來自(zì)進口,二是磷酸鐵(tiě)锂生(shēng)産技術也(yě)來自(zì)國(guó)外。
據了解,電子極碳酸锂可由锂礦石或鹽湖(hú)中(zhōng)提取出碳酸锂再提純而來。我國(guó)锂資源居世界第二,但由于技術問(wèn)題,國(guó)內(nèi)礦石提取碳酸锂再提純為電子極碳酸锂的産量很(hěn)低(dī)。鹽湖(hú)提取電子級碳酸锂目前還沒有産品問(wèn)世。所以隻能從國(guó)外大量進口電子級碳酸锂。因為進口量大,導緻國(guó)內(nèi)企業(yè)基本沒有定價權,完全由國(guó)外廠(chǎng)商說(shuō)了算。
在技術上,我國(guó)磷酸鐵(tiě)锂發展本來與國(guó)際基本同步,但國(guó)內(nèi)尚未誕生(shēng)真正的領軍企業(yè),行業(yè)缺乏原始創新技術。目前,國(guó)際上在磷酸鐵(tiě)锂電池行業(yè)處于領先地(dì)(dì)位的企業(yè)主要有3家,分别是美(měi)國(guó)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(tiě)锂技術在國(guó)外被看(kàn)作戰略性技術,美(měi)國(guó)、加拿大等政府為此不(bù)惜以國(guó)家的力量參與技術壁壘的建立。
在磷酸鐵(tiě)锂材料領域,有兩大核心技術專利,其中(zhōng)一(yī)個(gè)是包敷碳技術,另一(yī)個(gè)是碳熱(rè)還原技術。前者由加拿大佛斯泰克公司擁有獨家使用權,并且已經在我國(guó)申請(qǐng)專利。後者的專利權由美(měi)國(guó)高博公司所有,目前尚未在我國(guó)申請(qǐng)專利,但是該公司現已在蘇州成立了2家公司,分别負責磷酸鐵(tiě)锂材料的生(shēng)産和電池制(zhì)造。磷酸鐵(tiě)锂電池方面的核心專利被幾家外國(guó)公司掌握,外國(guó)公司專利轉讓至中(zhōng)國(guó)企業(yè)将會(huì)面臨高昂的專利許可費,對該産業(yè)構成巨大的潛在威脅。
要想擺脫在産業(yè)鍊中(zhōng)低(dī)端、被動的地(dì)(dì)位,就(jiù)要從三方面努力:一(yī)是通過技術研發從而加快(kuài)國(guó)內(nèi)磷酸鐵(tiě)锂專利申請(qǐng)。二是圍繞國(guó)外企業(yè)的核心專利在外圍進行布局。三是加強電池結構設計(jì)、電池組合控制(zhì)方面的研究。
電解液
電解液在锂電池正、負極之間起到傳導電子的作用,是锂離(lí)子電池獲得(de)高電壓、高比能等優點的保證。電解液一(yī)般由高純度的有機溶劑、電解質锂鹽、必要的添加劑等原料,在一(yī)定條件(jiàn)下(xià)、按一(yī)定比例配制(zhì)而成的。
锂電池主要使用的電解質有高氯酸锂、六氟磷酸锂等。但用高氯酸锂制(zhì)成的電池低(dī)溫效果不(bù)好,有爆炸的危險,日本和美(měi)國(guó)已禁止使用。而用含氟锂鹽制(zhì)成的電池性能好,無爆炸危險,适用性強,特别是用六氟磷酸锂制(zhì)成的電池,除上述優點外,将來廢棄電池的處理工(gōng)作相(xiàng)對簡單,對生(shēng)态環境友好,因此該類電解質的市(shì)場前景十分廣泛。
目前電解液配套基本已實現國(guó)産化(huà)(huà),但軟肋是占電解液成本約一(yī)半的電解質六氟磷酸锂,國(guó)內(nèi)基本沒有企業(yè)能夠生(shēng)産。
目前六氟磷酸锂市(shì)場被幾家日本企業(yè)如關東電化(huà)(huà)學工(gōng)業(yè)、蘇特瑞克秘法
(SUTERAKEMIFA)、森(sēn)田化(huà)(huà)學等壟斷。全球六氟磷酸锂産能在4000噸/年左右。日本這3家廠(chǎng)商其産能在3430噸/年,占全球産能的85%左右。我國(guó)天津金(jīn)牛電源材料有限責任公司目前的産能隻有250噸/年,并且不(bù)對外出售。國(guó)內(nèi)電解液生(shēng)産廠(chǎng)家所用的六氟磷酸锂主要從日本和德國(guó)進口。
出現這一(yī)狀況的的主要原因是六氟磷酸锂的技術門檻相(xiàng)當高。六氟磷酸锂要求純度高、水分低(dī),但由于産品本身極易吸潮分解,因此生(shēng)産難度極大,對原料及設備要求苛刻,屬于典型的高科技、高危生(shēng)産環境、高難生(shēng)産的‘三高’技術産品。六氟磷酸锂的三大主要原料是五氯化(huà)(huà)磷、無水氫氟酸和氟化(huà)(huà)锂,其中(zhōng)又以後兩者的生(shēng)産難度最大,需要國(guó)內(nèi)企業(yè)在生(shēng)産工(gōng)藝上取得(de)突破。
隔膜
隔膜在锂電池中(zhōng)起著(zhe)防止正、負極短路的作用,并在锂電池充放電過程中(zhōng)提供锂離(lí)子運輸通道(dào)。簡而言之,隔膜就(jiù)是一(yī)層多孔的塑料薄膜。但它直接影響了電池的容量、循環性能以及安全性能。在锂電池的部件(jiàn)中(zhōng)它是技術含量最高的,占锂電池成本的20%~30%。而目前我國(guó)80%的锂電池隔膜依靠進口。
膜技術含量高的原因在于它的造孔工(gōng)藝難度大。目前國(guó)際上隔膜的主流産品是經橫向和縱向精密拉伸的單層聚丙烯(PP)納米微(wēi)孔膜、單層聚乙烯(PE)納米微(wēi)孔膜、PP/PE/PP三層複合納米微(wēi)孔膜等類型。以雙向精密拉伸法來生(shēng)産PE、PP隔膜,是一(yī)個(gè)多步驟、複雜而精密的加工(gōng)過程,包括吹塑、流延制(zhì)膜、連續精密拉伸等多個(gè)重要環節。國(guó)産隔膜在厚度的均勻度和孔的均勻度上與國(guó)外存在很(hěn)大差距。目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)市(shì)場基本被幾家實力強大的國(guó)外廠(chǎng)商掌控,如美(měi)國(guó)的卡爾格德(Celgard)、恩特凱(Entek),日本的旭化(huà)(huà)成、東燃等。
國(guó)內(nèi)許多企業(yè)都(dōu)在嘗試突破國(guó)外技術壁壘,開(kāi)發锂電池隔膜,但難度較大。難度主要體(tǐ)現在以下(xià)3個(gè)方面:一(yī)是傳統制(zhì)備隔膜工(gōng)藝的相(xiàng)關專利基本被美(měi)國(guó)和日本的少(shǎo)數企業(yè)所壟斷,我國(guó)在生(shēng)産技術方面缺乏自(zì)主知識産權;二是國(guó)內(nèi)企業(yè)在生(shēng)産隔膜的關鍵技術方面特别是産業(yè)化(huà)(huà)技術方面較為欠缺,很(hěn)多企業(yè)在小試時往往能夠拿出較好的樣品,但大規模生(shēng)産時産品的一(yī)緻性較差;三是我國(guó)在新工(gōng)藝、新方法的研究方面與國(guó)際同步,但新的工(gōng)藝往往對設備和工(gōng)藝過程控制(zhì)要求較高,我國(guó)的精密加工(gōng)設備基礎比較薄弱,限制(zhì)了産業(yè)化(huà)(huà)。
盡管難度大,但是國(guó)産隔膜已經開(kāi)始起步。現在國(guó)內(nèi)一(yī)些(xiē)企業(yè)在國(guó)産化(huà)(huà)方面已取得(de)了一(yī)些(xiē)技術突破,如深圳市(shì)星源材質科技股份有限公司、佛山(shān)市(shì)金(jīn)輝高科光(guāng)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(xiē)公司都(dōu)已生(shēng)産出具有自(zì)主知識産權的锂電池隔膜,但目前大多是供應中(zhōng)、低(dī)端市(shì)場,還需要膜技術的進一(yī)步成熟。
随著(zhe)新能源汽車(chē)的逐漸推廣,到2012年,預計(jì)新能源汽車(chē)将令锂電池隔膜的需求量翻10倍。解決了隔膜的國(guó)産化(huà)(huà)問(wèn)題,不(bù)僅對锂電池行業(yè),對整個(gè)電動汽車(chē)行業(yè)發展都(dōu)将具有革命性的意義。
負極
負極材料技術含量比較低(dī),一(yī)般用石墨做(zuò)負極,是國(guó)內(nèi)锂離(lí)子電池四大關鍵組件(jiàn)中(zhōng)唯一(yī)實現産業(yè)化(huà)(huà)的材料。
國(guó)內(nèi)企業(yè)在技術含量低(dī)的領域,做(zuò)得(de)頗有成就(jiù)。深圳貝特瑞新能源材料有限責任公司、上海杉杉科技有限公司等已經跻身世界級公司。其中(zhōng),深圳貝特瑞市(shì)場占有率已居全球第二。客戶包括松下(xià)、三星、日立、比亞迪等130多家廠(chǎng)商。
但是,石墨負極材料雖成功商品化(huà)(huà),可由于碳作為負極總是存在一(yī)些(xiē)難以克服的弱點,未來肯定要被非碳材料取代。因為石墨在電解液中(zhōng)會(huì)形成鈍化(huà)(huà)膜,該膜雖可傳遞锂離(lí)子,但會(huì)引起能量的損耗。而且當電池過充電時,石墨負極表面會(huì)析出金(jīn)屬锂從而引起電池短路。随著(zhe)溫度的升高,嵌锂狀态下(xià)的石墨負極将首先與電解液發生(shēng)放熱(rè)反應,有可能會(huì)生(shēng)成易燃氣體(tǐ),發生(shēng)燃燒。所以石墨不(bù)是最理想的負極材料,尋找性能更為良好的非碳負極材料是锂離(lí)子電池研究的重要課題。
盡管當前人(rén)們廣泛研究了各種非碳負極材料,特别是近年來納米結構的非碳負極材料如錫的複合氧化(huà)(huà)物、钛氧化(huà)(huà)合物及钛酸鹽類化(huà)(huà)合物等,受到許多锂電工(gōng)作者的關注,但是這些(xiē)材料還有許多問(wèn)題沒有解決,仍然無法大量應用,還需要生(shēng)産路線和工(gōng)藝的不(bù)斷改進。
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