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三星材料锂离子863专家谈锂离子动力电池的发展潜力

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7月16~18日于北京举行的“第十六届中国电动车辆学术年会暨第二届电动汽车产业发展战略研讨会”上,中国国家“863计划”动力电池测试中心主任王子冬从市场和技术层面全面分析了全球锂离子动力电池的发展潜力。他指出,全球锂离子动力电池市场正处于一个重大转型期,在电动车(EV)市场需求带动下,预计该市场规模在未来5年内将超过2000亿元人民币。

  王子冬首先以日产绿叶(Leaf)电动车为例,介绍了锂离子动力电池的市场需求情况。该车将于2010年秋季上市,并计划在2010年生产5万辆,2012年生产20万辆。以锂离子动力电池产量来看,每辆绿叶的电池容量为24kWh,20万辆的容量相当于48亿kWh。这是目前全球手机锂离子电池30亿kWh市场的1.6倍。即一款汽车就可以完全改变整个市场状态。目前,全球主要汽车制造商都已宣布要大规模生产采用锂离子电池的电动车,而日产只是其中一家而已。

诱人的行业前景吸引了业内外大量投资

  王子冬指出,电动汽车的量产为锂离子电池产业带来了重要的发展机会。按照上述测算,几年之内,锂离子动力电池市场将超过全球手机锂离子电池市场的规模。这种改变将引发相关制造设备和厂房的新一轮投资,同时,众多新进入锂离子动力电池及材料的厂商将使相关领域的技术竞争更趋激烈。

  受到诱人行业前景的吸引,很多来自不同行业的厂商将目标定位在电动汽车市场,欲在锂离子动力电池商机中分一杯羹。

  例如,索尼在2009年11月进入了电动汽车和大容量蓄电池领域,并表示未来几年内将在量产设施上投资1000亿日元。三洋电机将在2015年前投资800亿日元,松下也准备在2012年前投入1230亿日元。另外,三菱重工在其长崎造船厂也投资了约100亿日元建立实验基地,准备从2010年开始年产66MWh容量的锂离子动力电池。

  针对动力电池领域,LG化学公司投资了约10亿美元;三星SDI和博世共同成立的SBLiMotive也投资了6亿美元。美国陶氏化学和韩国KokamEngineering及其他合作伙伴成立了合资公司,投资6亿美元,计划针对电动车和混合动力车年产约6万块的锂离子动力电池。

  据王子冬介绍,中国的比亚迪和天津力神计划将动力电池生产容量提升至10亿Wh。近期全国在动力电池方面的投资总额约为22亿美元。

锂离子电池的应用市场将从手机转向电动车及智能电网领域

  王子冬给出的一系列数据表明,电动车市场规模将从2009年的250亿日元,激增至2010的3000亿日元,并将在2012年超过便携式电子产品市场,达到15800亿日元。2014年将达22500亿日元。从上述数据可以看出,市场在5年内将增长90倍。

  他接着分析表示,电动汽车中的锂离子电池容量比手机中的高出几个数量级。例如,目前手机中的锂离子电池容量约为2-3Wh,而单一混合动力车电池组的容量约为1kWh,约为前者的500倍;电动车为20kWh,是前者的近1万倍。

  如果锂离子动力电池实现规模化量产,价格将会大幅下降,预计将在2015年降到约人民币3750元/kWh,这时将有条件进入铁路运输和工业设备领域。

  随着市场规模进一步扩大,当价格降到约人民币3750元/kWh时,锂离子充电电池可考虑作为常备电池储存电能,从而进入成本敏感型市场。

  另外,在太阳能和风能等可再生能源发电领域,大容量锂离子电池可储存电能,以保证电网稳定供电。而对于这种应用,目前只有硫化钠电池一种产品。

  综上所述,大容量锂离子电池的应用相当广阔。2015年后,甚至可以进入公共建筑和家庭。

  中国电网公司也在积极开展10MWh级的锂离子电池储能系统的试验项目。

提高锂离子电池能量密度

  为了满足电动车等市场对锂离子电池的需求,首先要研发新材料,以提升电池能量密度。近期目标是120Wh/kg,远期目标是 500Wh/kg。

  全球各电池厂商已经对阴正极、负极材料、隔膜与电解质等关键元件做出选择。通常,厂商们选择的是日本厂商开发的材料。

  据王子冬介绍,日立制作所与日立车辆能源于2010年1月开发出了插电式混合动力车的锂离子动力电池,能量密度为120Wh/kg,在SOC为50%时,输出功率密度为2400W/kg。

  在开发中,为了提高能量密度,调整了原来电池中的电极活性物质成分和电极厚度。为提高输出功率密度,将导电材料碳调整为电流易流通的材料,降低了电极的内部电阻。电池容量达25Ah,正极采用了锰(Mn)类材料,负极用的是碳材料。隔膜材料用耐热陶瓷取代了原来的聚乙烯,保证隔膜在200℃高温下不会收缩,并可防止正负极短路。同时,模拟分析了电池结构及振动等,提高了抗振性能。并通过调整集电结构,确保了可靠性。

  另外,日立最新一代混合动力车锂离子动力电池的输出功率密度已达4500W/kg,为散热性更好的方形结构,正极采用锰(Mn)类材料,负极是非晶碳材料。

  王子冬表示,目前锂离子动力电池在车上占用的空间较大,成本很高,且能量密度仅为90~120Wh/kg,仍然无法满足电动车长距离出行的需要。因此,各电池厂商仍需进一步改善能量密度、输出功率密度、成本与安全性。希望能在2015年~2020年开发出能量密度达200~300Wh/kg的第二代材料。

主要材料体系特点分析

  目前,全球厂商正在研究的主要材料体系包括:

  1.磷酸铁锂正极材料的五年定型和一致性工艺研究。材料安全性好,寿命长。主要为美国专利。

  2. 长寿命锰酸锂材料研究。通过掺杂和生产工艺改进,提高高温稳定性。材料价格低,比能量高。目前工艺技术和设备由日本厂商掌握。

  3. 钛酸锂材料作负极的研究。提高比能量,降低成本。材料安全性好,寿命长,充放电比功率高。主要为美国专利。

  4.混合电容—电池的结构和工艺研究。材料寿命长,充放电比功率高,价格低,安全性好。目前中、日、韩均在进行此项研究,中国已有产品问世,不存在国外专利保护问题。

图1 电容电池技术的发展

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