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動力锂電池四大技術難關(guān)

動力锂電池四大技術難關(guān)

  • 分(fēn)類:電池優化(huà)技術
  • 作(zuò)者:
  • 來(lái)源:
  • 發布時(shí)間(jiān):2020-10-14
  • 訪問量:0

【概要描述】目前由于制造成本太高,國家正在對電動汽車進行高額補貼。電動汽車之所以成本高,最主要的原因是锂電池的成本太高,其成本已超過整車的三分(fēn)之一(yī)。

動力锂電池四大技術難關(guān)

【概要描述】目前由于制造成本太高,國家正在對電動汽車進行高額補貼。電動汽車之所以成本高,最主要的原因是锂電池的成本太高,其成本已超過整車的三分(fēn)之一(yī)。

  • 分(fēn)類:電池優化(huà)技術
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  • 發布時(shí)間(jiān):2020-10-14
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詳情

  目前由于制造成本太高,國家正在對電動汽車進行高額補貼。電動汽車之所以成本高,最主要的原因是锂電池的成本太高,其成本已超過整車的三分(fēn)之一(yī)。而锂電池成本高的原因與其涉及的化(huà)工材料密切相關(guān)。

 

  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锂等。其中,磷酸鐵锂由于具有另外幾種材料所不具備的循環壽命、安全和材料成本方面的潛在優勢,而被業界看作(zuò)理(lǐ)想的正極材料。目前存在的問題,一(yī)是主要原料電子(zǐ)級碳酸锂(碳酸锂含量在99.5%以上(shàng))大部分(fēn)來(lái)自進口,二是磷酸鐵锂生(shēng)産技術也(yě)來(lái)自國外。

 

  據了(le)解,電子(zǐ)極碳酸锂可由锂礦石或鹽湖中提取出碳酸锂再提純而來(lái)。我國锂資源居世界第二,但(dàn)由于技術問題,國内礦石提取碳酸锂再提純為(wèi)電子(zǐ)極碳酸锂的産量很低(dī)。鹽湖提取電子(zǐ)級碳酸锂目前還沒有産品問世。所以隻能(néng)從國外大量進口電子(zǐ)級碳酸锂。因為(wèi)進口量大,導緻國内企業基本沒有定價權,完全由國外廠商(shāng)說(shuō)了(le)算(suàn)。

 

  在技術上(shàng),我國磷酸鐵锂發展本來(lái)與國際基本同步,但(dàn)國内尚未誕生(shēng)真正的領軍企業,行業缺乏原始創新(xīn)技術。目前,國際上(shàng)在磷酸鐵锂電池行業處于領先地位的企業主要有3家,分(fēn)别是美國的高博(A123)公司和威能(néng)(Valence)公司以及加拿大的佛斯泰克(Phostech)公司。磷酸鐵锂技術在國外被看作(zuò)戰略性技術,美國、加拿大等政府為(wèi)此不惜以國家的力量參與技術壁壘的建立。

 

  在磷酸鐵锂材料領域,有兩大核心技術專利,其中一(yī)個(gè)是包敷碳技術,另一(yī)個(gè)是碳熱還原技術。前者由加拿大佛斯泰克公司擁有獨家使用權,并且已經在我國申請專利。後者的專利權由美國高博公司所有,目前尚未在我國申請專利,但(dàn)是該公司現(xiàn)已在蘇州成立了(le)2家公司,分(fēn)别負責磷酸鐵锂材料的生(shēng)産和電池制造。磷酸鐵锂電池方面的核心專利被幾家外國公司掌握,外國公司專利轉讓至中國企業将會面臨高昂的專利許可費,對該産業構成巨大的潛在威脅。

 

  要想擺脫在産業鏈中低(dī)端、被動的地位,就(jiù)要從三方面努力:一(yī)是通過技術研發從而加快(kuài)國内磷酸鐵锂專利申請。二是圍繞國外企業的核心專利在外圍進行布局。三是加強電池結構設計、電池組合控制方面的研究。

 

 

 

  電解液
  電解液在锂電池正、負極之間(jiān)起到傳導電子(zǐ)的作(zuò)用,是锂離子(zǐ)電池獲得高電壓、高比能(néng)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)定條件下(xià)、按一(yī)定比例配制而成的。

  锂電池主要使用的電解質有高氯酸锂、六氟磷酸锂等。但(dàn)用高氯酸锂制成的電池低(dī)溫效果不好(hǎo)(hǎo),有爆炸的危險,日本和美國已禁止使用。而用含氟锂鹽制成的電池性能(néng)好(hǎo)(hǎo),無爆炸危險,适用性強,特别是用六氟磷酸锂制成的電池,除上(shàng)述優點外,将來(lái)廢棄電池的處理(lǐ)工作(zuò)相對簡單,對生(shēng)态環境友好(hǎo)(hǎo),因此該類電解質的市(shì)場(chǎng)前景十分(fēn)廣泛。

 

  目前電解液配套基本已實現(xiàn)國産化(huà),但(dàn)軟肋是占電解液成本約一(yī)半的電解質六氟磷酸锂,國内基本沒有企業能(néng)夠生(shēng)産。

 

 

 

  目前六氟磷酸锂市(shì)場(chǎng)被幾家日本企業如(rú)關(guān)東電化(huà)學工業、蘇特瑞克秘法
  (SUTERAKEMIFA)、森田化(huà)學等壟斷。全球六氟磷酸锂産能(néng)在4000噸/年左右。日本這(zhè)3家廠商(shāng)其産能(néng)在3430噸/年,占全球産能(néng)的85%左右。我國天津金(jīn)牛電源材料有限責任公司目前的産能(néng)隻有250噸/年,并且不對外出售。國内電解液生(shēng)産廠家所用的六氟磷酸锂主要從日本和德國進口。


  出現(xiàn)這(zhè)一(yī)狀況的的主要原因是六氟磷酸锂的技術門檻相當高。六氟磷酸锂要求純度高、水分(fēn)低(dī),但(dàn)由于産品本身(shēn)極易吸潮分(fēn)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)磷、無水氫氟酸和氟化(huà)锂,其中又以後兩者的生(shēng)産難度最大,需要國内企業在生(shēng)産工藝上(shàng)取得突破。

 

 

 

  隔膜
  隔膜在锂電池中起着防止正、負極短路(lù)的作(zuò)用,并在锂電池充放(fàng)電過程中提供锂離子(zǐ)運輸通道。簡而言之,隔膜就(jiù)是一(yī)層多孔的塑料薄膜。但(dàn)它直接影響了(le)電池的容量、循環性能(néng)以及安全性能(néng)。在锂電池的部件中它是技術含量最高的,占锂電池成本的20%~30%。而目前我國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藝難度大。目前國際上(shàng)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)納米微孔膜、單層聚乙烯(PE)納米微孔膜、PP/PE/PP三層複合納米微孔膜等類型。以雙向精密拉伸法來(lái)生(shēng)産PE、PP隔膜,是一(yī)個(gè)多步驟、複雜而精密的加工過程,包括吹塑、流延制膜、連續精密拉伸等多個(gè)重要環節。國産隔膜在厚度的均勻度和孔的均勻度上(shàng)與國外存在很大差距。目前國際和國内市(shì)場(chǎng)基本被幾家實力強大的國外廠商(shāng)掌控,如(rú)美國的卡爾格德(Celgard)、恩特凱(Entek),日本的旭化(huà)成、東燃等。

 

  國内許多企業都在嘗試突破國外技術壁壘,開發锂電池隔膜,但(dàn)難度較大。難度主要體(tǐ)現(xiàn)在以下(xià)3個(gè)方面:一(yī)是傳統制備隔膜工藝的相關(guān)專利基本被美國和日本的少數企業所壟斷,我國在生(shēng)産技術方面缺乏自主知識産權;二是國内企業在生(shēng)産隔膜的關(guān)鍵技術方面特别是産業化(huà)技術方面較為(wèi)欠缺,很多企業在小試時(shí)往往能(néng)夠拿出較好(hǎo)(hǎo)的樣品,但(dàn)大規模生(shēng)産時(shí)産品的一(yī)緻性較差;三是我國在新(xīn)工藝、新(xīn)方法的研究方面與國際同步,但(dàn)新(xīn)的工藝往往對設備和工藝過程控制要求較高,我國的精密加工設備基礎比較薄弱,限制了(le)産業化(huà)。

 

  盡管難度大,但(dàn)是國産隔膜已經開始起步。現(xiàn)在國内一(yī)些(xiē)企業在國産化(huà)方面已取得了(le)一(yī)些(xiē)技術突破,如(rú)深圳市(shì)星源材質科技股份有限公司、佛山市(shì)金(jīn)輝高科光電材料有限公司、河(hé)南(nán)新(xīn)鄉格瑞恩新(xīn)能(néng)源材料股份有限公司等,這(zhè)些(xiē)公司都已生(shēng)産出具有自主知識産權的锂電池隔膜,但(dàn)目前大多是供應中、低(dī)端市(shì)場(chǎng),還需要膜技術的進一(yī)步成熟。

 

  随着新(xīn)能(néng)源汽車的逐漸推廣,到2012年,預計新(xīn)能(néng)源汽車将令锂電池隔膜的需求量翻10倍。解決了(le)隔膜的國産化(huà)問題,不僅對锂電池行業,對整個(gè)電動汽車行業發展都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)般用石墨做負極,是國内锂離子(zǐ)電池四大關(guān)鍵組件中唯一(yī)實現(xiàn)産業化(huà)的材料。

 

  國内企業在技術含量低(dī)的領域,做得頗有成就(jiù)。深圳貝特瑞新(xīn)能(néng)源材料有限責任公司、上(shàng)海杉杉科技有限公司等已經跻身(shēn)世界級公司。其中,深圳貝特瑞市(shì)場(chǎng)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多家廠商(shāng)。

 

  但(dàn)是,石墨負極材料雖成功商(shāng)品化(huà),可由于碳作(zuò)為(wèi)負極總是存在一(yī)些(xiē)難以克服的弱點,未來(lái)肯定要被非碳材料取代。因為(wèi)石墨在電解液中會形成鈍化(huà)膜,該膜雖可傳遞锂離子(zǐ),但(dàn)會引起能(néng)量的損耗。而且當電池過充電時(shí),石墨負極表面會析出金(jīn)屬锂從而引起電池短路(lù)。随着溫度的升高,嵌锂狀态下(xià)的石墨負極将首先與電解液發生(shēng)放(fàng)熱反應,有可能(néng)會生(shēng)成易燃氣體(tǐ),發生(shēng)燃燒。所以石墨不是最理(lǐ)想的負極材料,尋找性能(néng)更為(wèi)良好(hǎo)(hǎo)的非碳負極材料是锂離子(zǐ)電池研究的重要課題。

 

  盡管當前人(rén)們廣泛研究了(le)各種非碳負極材料,特别是近年來(lái)納米結構的非碳負極材料如(rú)錫的複合氧化(huà)物、钛氧化(huà)合物及钛酸鹽類化(huà)合物等,受到許多锂電工作(zuò)者的關(guān)注,但(dàn)是這(zhè)些(xiē)材料還有許多問題沒有解決,仍然無法大量應用,還需要生(shēng)産路(lù)線和工藝的不斷改進。

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