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动力锂电池四大技术难关

动力锂电池四大技术难关

【概要描述】目前由于制造成本太高,国家正在对电动汽车进行高额补贴。电动汽车之所以成本高,最主要的原因是锂电池的成本太高,其成本已超过整车的三分之一。

动力锂电池四大技术难关

【概要描述】目前由于制造成本太高,国家正在对电动汽车进行高额补贴。电动汽车之所以成本高,最主要的原因是锂电池的成本太高,其成本已超过整车的三分之一。

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  目前由于制造成本太高,国家正在对电动汽车进行高额补贴。电动汽车之所以成本高,最主要的原因是锂电池的成本太高,其成本已超过整车的三分之一。而锂电池成本高的原因与其涉及的化工材料密切相关。

 

  正极材料
  锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍锰钴三元材料及磷酸铁锂等。其中,磷酸铁锂由于具有另外几种材料所不具备的循环寿命、安全和材料成本方面的潜在优势,而被业界看作理想的正极材料。目前存在的问题,一是主要原料电子级碳酸锂(碳酸锂含量在99.5%以上)大部分来自进口,二是磷酸铁锂生产技术也来自国外。

 

  据了解,电子极碳酸锂可由锂矿石或盐湖中提取出碳酸锂再提纯而来。我国锂资源居世界第二,但由于技术问题,国内矿石提取碳酸锂再提纯为电子极碳酸锂的产量很低。盐湖提取电子级碳酸锂目前还没有产品问世。所以只能从国外大量进口电子级碳酸锂。因为进口量大,导致国内企业基本没有定价权,完全由国外厂商说了算。

 

  在技术上,我国磷酸铁锂发展本来与国际基本同步,但国内尚未诞生真正的领军企业,行业缺乏原始创新技术。目前,国际上在磷酸铁锂电池行业处于领先地位的企业主要有3家,分别是美国的高博(A123)公司和威能(Valence)公司以及加拿大的佛斯泰克(Phostech)公司。磷酸铁锂技术在国外被看作战略性技术,美国、加拿大等政府为此不惜以国家的力量参与技术壁垒的建立。

 

  在磷酸铁锂材料领域,有两大核心技术专利,其中一个是包敷碳技术,另一个是碳热还原技术。前者由加拿大佛斯泰克公司拥有独家使用权,并且已经在我国申请专利。后者的专利权由美国高博公司所有,目前尚未在我国申请专利,但是该公司现已在苏州成立了2家公司,分别负责磷酸铁锂材料的生产和电池制造。磷酸铁锂电池方面的核心专利被几家外国公司掌握,外国公司专利转让至中国企业将会面临高昂的专利许可费,对该产业构成巨大的潜在威胁。

 

  要想摆脱在产业链中低端、被动的地位,就要从三方面努力:一是通过技术研发从而加快国内磷酸铁锂专利申请。二是围绕国外企业的核心专利在外围进行布局。三是加强电池结构设计、电池组合控制方面的研究。

 

 

 

  电解液
  电解液在锂电池正、负极之间起到传导电子的作用,是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的。

  锂电池主要使用的电解质有高氯酸锂、六氟磷酸锂等。但用高氯酸锂制成的电池低温效果不好,有爆炸的危险,日本和美国已禁止使用。而用含氟锂盐制成的电池性能好,无爆炸危险,适用性强,特别是用六氟磷酸锂制成的电池,除上述优点外,将来废弃电池的处理工作相对简单,对生态环境友好,因此该类电解质的市场前景十分广泛。

 

  目前电解液配套基本已实现国产化,但软肋是占电解液成本约一半的电解质六氟磷酸锂,国内基本没有企业能够生产。

 

 

 

  目前六氟磷酸锂市场被几家日本企业如关东电化学工业、苏特瑞克秘法
  (SUTERAKEMIFA)、森田化学等垄断。全球六氟磷酸锂产能在4000吨/年左右。日本这3家厂商其产能在3430吨/年,占全球产能的85%左右。我国天津金牛电源材料有限责任公司目前的产能只有250吨/年,并且不对外出售。国内电解液生产厂家所用的六氟磷酸锂主要从日本和德国进口。


  出现这一状况的的主要原因是六氟磷酸锂的技术门槛相当高。六氟磷酸锂要求纯度高、水分低,但由于产品本身极易吸潮分解,因此生产难度极大,对原料及设备要求苛刻,属于典型的高科技、高危生产环境、高难生产的‘三高’技术产品。六氟磷酸锂的三大主要原料是五氯化磷、无水氢氟酸和氟化锂,其中又以后两者的生产难度最大,需要国内企业在生产工艺上取得突破。

 

 

 

  隔膜
  隔膜在锂电池中起着防止正、负极短路的作用,并在锂电池充放电过程中提供锂离子运输通道。简而言之,隔膜就是一层多孔的塑料薄膜。但它直接影响了电池的容量、循环性能以及安全性能。在锂电池的部件中它是技术含量最高的,占锂电池成本的20%~30%。而目前我国80%的锂电池隔膜依靠进口。

 

  膜技术含量高的原因在于它的造孔工艺难度大。目前国际上隔膜的主流产品是经横向和纵向精密拉伸的单层聚丙烯(PP)纳米微孔膜、单层聚乙烯(PE)纳米微孔膜、PP/PE/PP三层复合纳米微孔膜等类型。以双向精密拉伸法来生产PE、PP隔膜,是一个多步骤、复杂而精密的加工过程,包括吹塑、流延制膜、连续精密拉伸等多个重要环节。国产隔膜在厚度的均匀度和孔的均匀度上与国外存在很大差距。目前国际和国内市场基本被几家实力强大的国外厂商掌控,如美国的卡尔格德(Celgard)、恩特凯(Entek),日本的旭化成、东燃等。

 

  国内许多企业都在尝试突破国外技术壁垒,开发锂电池隔膜,但难度较大。难度主要体现在以下3个方面:一是传统制备隔膜工艺的相关专利基本被美国和日本的少数企业所垄断,我国在生产技术方面缺乏自主知识产权;二是国内企业在生产隔膜的关键技术方面特别是产业化技术方面较为欠缺,很多企业在小试时往往能够拿出较好的样品,但大规模生产时产品的一致性较差;三是我国在新工艺、新方法的研究方面与国际同步,但新的工艺往往对设备和工艺过程控制要求较高,我国的精密加工设备基础比较薄弱,限制了产业化。

 

  尽管难度大,但是国产隔膜已经开始起步。现在国内一些企业在国产化方面已取得了一些技术突破,如深圳市星源材质科技股份有限公司、佛山市金辉高科光电材料有限公司、河南新乡格瑞恩新能源材料股份有限公司等,这些公司都已生产出具有自主知识产权的锂电池隔膜,但目前大多是供应中、低端市场,还需要膜技术的进一步成熟。

 

  随着新能源汽车的逐渐推广,到2012年,预计新能源汽车将令锂电池隔膜的需求量翻10倍。解决了隔膜的国产化问题,不仅对锂电池行业,对整个电动汽车行业发展都将具有革命性的意义。

 

 

 

  负极
  负极材料技术含量比较低,一般用石墨做负极,是国内锂离子电池四大关键组件中唯一实现产业化的材料。

 

  国内企业在技术含量低的领域,做得颇有成就。深圳贝特瑞新能源材料有限责任公司、上海杉杉科技有限公司等已经跻身世界级公司。其中,深圳贝特瑞市场占有率已居全球第二。客户包括松下、三星、日立、比亚迪等130多家厂商。

 

  但是,石墨负极材料虽成功商品化,可由于碳作为负极总是存在一些难以克服的弱点,未来肯定要被非碳材料取代。因为石墨在电解液中会形成钝化膜,该膜虽可传递锂离子,但会引起能量的损耗。而且当电池过充电时,石墨负极表面会析出金属锂从而引起电池短路。随着温度的升高,嵌锂状态下的石墨负极将首先与电解液发生放热反应,有可能会生成易燃气体,发生燃烧。所以石墨不是最理想的负极材料,寻找性能更为良好的非碳负极材料是锂离子电池研究的重要课题。

 

  尽管当前人们广泛研究了各种非碳负极材料,特别是近年来纳米结构的非碳负极材料如锡的复合氧化物、钛氧化合物及钛酸盐类化合物等,受到许多锂电工作者的关注,但是这些材料还有许多问题没有解决,仍然无法大量应用,还需要生产路线和工艺的不断改进。

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