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7月16～18日于北京舉行的“第十六屆中國電動(dòng)車(chē)輛學(xué)術(shù)年會(huì )暨第二屆電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰略研討會(huì )”上，中國國家“863計劃”動(dòng)力電池測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)展潛力。他指出，全球鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)正處于一個(gè)重大轉型期，在電動(dòng)車(chē)（EV）市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，預計該市場(chǎng)規模在未來(lái)5年內將超過(guò)2000億元人民幣。 王子冬首先以日產(chǎn)綠葉（Leaf）電動(dòng)車(chē)為例，介紹了鋰離子動(dòng)力電池的市場(chǎng)需求情況。該車(chē)將于2010年秋季上市，并計劃在2010年生產(chǎn)5萬(wàn)輛，2012年生產(chǎn)20萬(wàn)輛。以鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)量來(lái)看，每輛綠葉的電池容量為24kWh,20萬(wàn)輛的容量相當于48億kWh。這是目前全球手機鋰離子電池30億kWh市場(chǎng)的1.6倍。即一款汽車(chē)就可以完全改變整個(gè)市場(chǎng)狀態(tài)。目前，全球主要汽車(chē)制造商都已宣布要大規模生產(chǎn)采用鋰離子電池的電動(dòng)車(chē)，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)內外大量投資 王子冬指出，電動(dòng)汽車(chē)的量產(chǎn)為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了重要的發(fā)展機會(huì )。按照上述測算，幾年之內，鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)將超過(guò)全球手機鋰離子電池市場(chǎng)的規模。這種改變將引發(fā)相關(guān)制造設備和廠(chǎng)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(chǎng)商將使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)競爭更趨激烈。 受到誘人行業(yè)前景的吸引，很多來(lái)自不同行業(yè)的廠(chǎng)商將目標定位在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，欲在鋰離子動(dòng)力電池商機中分一杯羹。 例如，索尼在2009年11月進(jìn)入了電動(dòng)汽車(chē)和大容量蓄電池領(lǐng)域，并表示未來(lái)幾年內將在量產(chǎn)設施上投資1000億日元。三洋電機將在2015年前投資800億日元，松下也準備在2012年前投入1230億日元。另外，三菱重工在其長(cháng)崎造船廠(chǎng)也投資了約100億日元建立實(shí)驗基地，準備從2010年開(kāi)始年產(chǎn)66MWh容量的鋰離子動(dòng)力電池。 針對動(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。美國陶氏化學(xué)和韓國KokamEngineering及其他合作伙伴成立了合資公司，投資6億美元，計劃針對電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)年產(chǎn)約6萬(wàn)塊的鋰離子動(dòng)力電池。 據王子冬介紹，中國的比亞迪和天津力神計劃將動(dòng)力電池生產(chǎn)容量提升至10億Wh。近期全國在動(dòng)力電池方面的投資總額約為22億美元。 鋰離子電池的應用市場(chǎng)將從手機轉向電動(dòng)車(chē)及智能電網(wǎng)領(lǐng)域 王子冬給出的一系列數據表明，電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)規模將從2009年的250億日元，激增至2010的3000億日元，并將在2012年超過(guò)便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)，達到15800億日元。2014年將達22500億日元。從上述數據可以看出，市場(chǎng)在5年內將增長(cháng)90倍。 他接著(zhù)分析表示，電動(dòng)汽車(chē)中的鋰離子電池容量比手機中的高出幾個(gè)數量級。例如，目前手機中的鋰離子電池容量約為2-3Wh，而單一混合動(dòng)力車(chē)電池組的容量約為1kWh，約為前者的500倍；電動(dòng)車(chē)為20kWh，是前者的近1萬(wàn)倍。 如果鋰離子動(dòng)力電池實(shí)現規�；慨a(chǎn)，價(jià)格將會(huì )大幅下降，預計將在2015年降到約人民幣3750元/kWh，這時(shí)將有條件進(jìn)入鐵路運輸和工業(yè)設備領(lǐng)域。 隨著(zhù)市場(chǎng)規模進(jìn)一步擴大，當價(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存電能，從而進(jìn)入成本敏感型市場(chǎng)。 另外，在太陽(yáng)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存電能，以保證電網(wǎng)穩定供電。而對于這種應用，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用相當廣闊。2015年后，甚至可以進(jìn)入公共建筑和家庭。 中國電網(wǎng)公司也在積極開(kāi)展10MWh級的鋰離子電池儲能系統的試驗項目。 提高鋰離子電池能量密度 為了滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)等市場(chǎng)對鋰離子電池的需求，首先要研發(fā)新材料，以提升電池能量密度。近期目標是120Wh/kg，遠期目標是 500Wh/kg。 全球各電池廠(chǎng)商已經(jīng)對陰正極、負極材料、隔膜與電解質(zhì)等關(guān)鍵元件做出選擇。通常，廠(chǎng)商們選擇的是日本廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的材料。 據王子冬介紹，日立制作所與日立車(chē)輛能源于2010年1月開(kāi)發(fā)出了插電式混合動(dòng)力車(chē)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(kāi)發(fā)中，為了提高能量密度，調整了原來(lái)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，將導電材料碳調整為電流易流通的材料，降低了電極的內部電阻。電池容量達25Ah，正極采用了錳（Mn）類(lèi)材料，負極用的是碳材料。隔膜材料用耐熱陶瓷取代了原來(lái)的聚乙烯，保證隔膜在200℃高溫下不會(huì )收縮，并可防止正負極短路。同時(shí)，模擬分析了電池結構及振動(dòng)等，提高了抗振性能。并通過(guò)調整集電結構，確保了可靠性。 另外，日立最新一代混合動(dòng)力車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的輸出功率密度已達4500W/kg，為散熱性更好的方形結構，正極采用錳（Mn）類(lèi)材料，負極是非晶碳材料。 王子冬表示，目前鋰離子動(dòng)力電池在車(chē)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(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)長(cháng)距離出行的需要。因此，各電池廠(chǎng)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(kāi)發(fā)出能量密度達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(chǎng)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(cháng)。主要為美國專(zhuān)利。 2． 長(cháng)壽命錳酸鋰材料研究。通過(guò)摻雜和生產(chǎn)工藝改進(jìn)，提高高溫穩定性。材料價(jià)格低，比能量高。目前工藝技術(shù)和設備由日本廠(chǎng)商掌握。 3． 鈦酸鋰材料作負極的研究。提高比能量，降低成本。材料安全性好，壽命長(cháng)，充放電比功率高。主要為美國專(zhuān)利。 4．混合電容—電池的結構和工藝研究。材料壽命長(cháng)，充放電比功率高，價(jià)格低，安全性好。目前中、日、韓均在進(jìn)行此項研究，中國已有產(chǎn)品問(wèn)世，不存在國外專(zhuān)利保護問(wèn)題。 圖1 電容電池技術(shù)的發(fā)展 王子冬指出，中國廠(chǎng)商可進(jìn)一步拓展研究其他在安全性、壽命、充放電比功率、價(jià)格方面表現突出，且沒(méi)有國外專(zhuān)利保護的材料。 圖2 國外某公司高功率鋰離子電池性能（HEV） 圖3 2010年德國4.5Ah高功率電池性能 圖4 中國2008年高功率磷酸鐵鋰電池試驗結果（1） 圖5 中國2008年高功率磷酸鐵鋰電池試驗結果（2） 圖6 中國高功率磷酸鐵鋰電池測試結果 鋰離子電池材料的開(kāi)發(fā)方向 鋰離子電池的正極、負極、電解液、隔膜及其他元件的特性必須合理搭配平衡，才能保證電池整體的高性能。 不同于特定容量普遍偏低的正極材料，硅、錫等許多負極材料的電位可以提供更大的容量，特別是硅，其理論容量至少10倍于目前最常用的負極材料石墨。但鋰離子的嵌入可以導致400%的體積變化，結構很容易因反復充放電遭到破壞，其壽命延長(cháng)成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 研究人員已經(jīng)在嘗試與傳統石墨混合以制造空氣間隙，從而控制體積膨脹到一定程度，以及與氧化硅或其他材料再混合的石墨，以制造出一種氧化硅-碳（SiO-C）的復合材料。一、兩年內，使用這種硅復合負極材料的電池將首先應用在手機中。 對于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，鋰離子動(dòng)力電池組的安全性非常重要。由于負極材料石墨比鋰的電位低，因而不可避免地會(huì )出現鋰沉積在負極界面或電解質(zhì)形成化合物的問(wèn)題。 東芝為此開(kāi)發(fā)出一種鋰鈦氧化物L(fēng)TO（Li4Ti5O12）的新型負極材料。LTO比鋰的電位高，可避免上面提到的鋰沉積或與電解質(zhì)界面反應的問(wèn)題，提高了電池的安全性。不過(guò)，LTO的電位比鋰高出約1.5V，使用現有的正極材料時(shí)，電池放電電壓將減少至約2.4V。其理論電容與石墨相當，因此電池能量密度的提高有一定程度的限制。 在采用LTO與5V的正極材料，或者采用它與高容量硅合金復合材料或類(lèi)似材料，以提高電池放電電壓的情況下，電池能量密度很可能至少可以提高到200Wh/kg。 另外，據王子冬介紹，全球各電池廠(chǎng)商及相關(guān)機構正在加緊針對全新類(lèi)型、能量密度超過(guò)500Wh/kg電池的基礎研究，如固態(tài)電池、鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等，并計劃在2030年前后開(kāi)始推向市場(chǎng)。 圖7 鋰離子電池材料開(kāi)發(fā)的長(cháng)遠目標 對于全固態(tài)電池，日本大阪府立大學(xué)一直在研究采用硫化物類(lèi)固態(tài)電解質(zhì)。例如，加熱Li2S-P2S5類(lèi)玻璃進(jìn)行結晶化后的電池，其室溫下的離子導電率達到10-3S/cm以上，與目前液態(tài)電解質(zhì)的導電率水平相同，而且還可能再提高2～5倍。 對于仍用有機溶劑，但采用新結構以提高能量密度的鋰空氣電池，由于其正極上用空氣中的氧作為活性物質(zhì)，因此，理論上正極的容量密度是無(wú)限的。此外，當負極使用金屬鋰時(shí)，理論容量可比鋰離子電池高一個(gè)數量級。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本學(xué)術(shù)振興會(huì )已開(kāi)發(fā)出這種電池。 圖8 新結構的鋰空氣電池原理示意圖 電池的負極采用金屬鋰條，電解液組合用的是含有鋰鹽的有機電解液，正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細化后的碳和低價(jià)氧化物催化劑形成正極組合。 該電池放電反應生成的不是固體氧化鋰（Li2O），而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰（LiOH）。因此，氧化鋰在空氣電極堆積后，不會(huì )導致工作停止。另外，水及氮等也不會(huì )穿過(guò)固體電解質(zhì)隔膜，因此不會(huì )出現與負極鋰金屬發(fā)生反應的危險。在配置充電專(zhuān)用的正極時(shí)，還可防止充電導致空氣電極的腐蝕和老化。 試驗結果表明，以0.1A/g的放電率放電時(shí)，放電容量約為9000mAh/g，而此前的鋰空氣電池放電容量只有700～3000mAh/g。 另外，若以水溶液代替水溶性凝膠，可在空氣中以0.1A/g的放電率放電20天，其放電容量約為50000mAh/g，比原來(lái)提高一個(gè)數量級。由于金屬鋰電池的容量本來(lái)就比鋰離子電池高一個(gè)數量級，因此，這一放電容量實(shí)際上比鋰離子電池高了2個(gè)數量級。不過(guò)，凝膠的易用性更好些。 另外，如果不對這種鋰空氣電池直接充電，而是通過(guò)底座更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補充負極的金屬鋰，可縮短電動(dòng)車(chē)的充電時(shí)間，更換后即可行駛。通過(guò)回收水性電解液重新生成金屬鋰，可實(shí)現鋰的循環(huán)使用。 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