863專家談鋰離子動力電池的發(fā)展?jié)摿?/h1>
7月16～18日于北京舉行的“第十六屆中國電動車輛學(xué)術(shù)年會暨第二屆電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會”上，中國國家“863計劃”動力電池測試中心主任王子冬從市場和技術(shù)層面全面分析了全球鋰離子動力電池的發(fā)展?jié)摿?。他指出，全?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/鋰離子">鋰離子動力電池市場正處于一個重大轉(zhuǎn)型期，在電動車（EV）市場需求帶動下，預(yù)計該市場規(guī)模在未來5年內(nèi)將超過2000億元人民幣。
王子冬首先以日產(chǎn)綠葉（Leaf）電動車為例，介紹了鋰離子動力電池的市場需求情況。該車將于2010年秋季上市，并計劃在2010年生產(chǎn)5萬輛，2012年生產(chǎn)20萬輛。以鋰離子動力電池產(chǎn)量來看，每輛綠葉的電池容量為24kWh,20萬輛的容量相當(dāng)于48億kWh。這是目前全球手機鋰離子電池30億kWh市場的1.6倍。即一款汽車就可以完全改變整個市場狀態(tài)。目前，全球主要汽車制造商都已宣布要大規(guī)模生產(chǎn)采用鋰離子電池的電動車，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(nèi)外大量投資
王子冬指出，電動汽車的量產(chǎn)為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)帶來了重要的發(fā)展機會。按照上述測算，幾年之內(nèi)，鋰離子動力電池市場將超過全球手機鋰離子電池市場的規(guī)模。這種改變將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房的新一輪投資，同時，眾多新進入鋰離子動力電池及材料的廠商將使相關(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，很多來自不同行業(yè)的廠商將目標(biāo)定位在電動汽車市場，欲在鋰離子動力電池商機中分一杯羹。
例如，索尼在2009年11月進入了電動汽車和大容量蓄電池領(lǐng)域，并表示未來幾年內(nèi)將在量產(chǎn)設(shè)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(zhǔn)備在2012年前投入1230億日元。另外，三菱重工在其長崎造船廠也投資了約100億日元建立實驗基地，準(zhǔn)備從2010年開始年產(chǎn)66MWh容量的鋰離子動力電池。
針對動力電池領(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，計劃針對電動車和混合動力車年產(chǎn)約6萬塊的鋰離子動力電池。
據(jù)王子冬介紹，中國的比亞迪和天津力神計劃將動力電池生產(chǎn)容量提升至10億Wh。近期全國在動力電池方面的投資總額約為22億美元。
鋰離子電池的應(yīng)用市場將從手機轉(zhuǎn)向電動車及智能電網(wǎng)領(lǐng)域
王子冬給出的一系列數(shù)據(jù)表明，電動車市場規(guī)模將從2009年的250億日元，激增至2010的3000億日元，并將在2012年超過便攜式電子產(chǎn)品市場，達到15800億日元。2014年將達22500億日元。從上述數(shù)據(jù)可以看出，市場在5年內(nèi)將增長90倍。
他接著分析表示，電動汽車中的鋰離子電池容量比手機中的高出幾個數(shù)量級。例如，目前手機中的鋰離子電池容量約為2-3Wh，而單一混合動力車電池組的容量約為1kWh，約為前者的500倍；電動車為20kWh，是前者的近1萬倍。
如果鋰離子動力電池實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，價格將會大幅下降，預(yù)計將在2015年降到約人民幣3750元/kWh，這時將有條件進入鐵路運輸和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。
隨著市場規(guī)模進一步擴大，當(dāng)價格降到約人民幣3750元/kWh時，鋰離子充電電池可考慮作為常備電池儲存電能，從而進入成本敏感型市場。
另外，在太陽能和風(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(wěn)定供電。而對于這種應(yīng)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(yīng)用相當(dāng)廣闊。2015年后，甚至可以進入公共建筑和家庭。
中國電網(wǎng)公司也在積極開展10MWh級的鋰離子電池儲能系統(tǒng)的試驗項目。
提高鋰離子電池能量密度
為了滿足電動車等市場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(biāo)是120Wh/kg，遠期目標(biāo)是 500Wh/kg。
全球各電池廠商已經(jīng)對陰正極、負(fù)極材料、隔膜與電解質(zhì)等關(guān)鍵元件做出選擇。通常，廠商們選擇的是日本廠商開發(fā)的材料。
據(jù)王子冬介紹，日立制作所與日立車輛能源于2010年1月開發(fā)出了插電式混合動力車的鋰離子動力電池，能量密度為120Wh/kg，在SOC為50%時，輸出功率密度為2400W/kg。
在開發(fā)中，為了提高能量密度，調(diào)整了原來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(dǎo)電材料碳調(diào)整為電流易流通的材料，降低了電極的內(nèi)部電阻。電池容量達25Ah，正極采用了錳（Mn）類材料，負(fù)極用的是碳材料。隔膜材料用耐熱陶瓷取代了原來的聚乙烯，保證隔膜在200℃高溫下不會收縮，并可防止正負(fù)極短路。同時，模擬分析了電池結(jié)構(gòu)及振動等，提高了抗振性能。并通過調(diào)整集電結(jié)構(gòu)，確保了可靠性。
另外，日立最新一代混合動力車鋰離子動力電池的輸出功率密度已達4500W/kg，為散熱性更好的方形結(jié)構(gòu)，正極采用錳（Mn）類材料，負(fù)極是非晶碳材料。
王子冬表示，目前鋰離子動力電池在車上占用的空間較大，成本很高，且能量密度僅為90～120Wh/kg，仍然無法滿足電動車長距離出行的需要。因此，各電池廠商仍需進一步改善能量密度、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。
主要材料體系特點分析
目前，全球廠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。主要為美國專利。
2． 長壽命錳酸鋰材料研究。通過摻雜和生產(chǎn)工藝改進，提高高溫穩(wěn)定性。材料價格低，比能量高。目前工藝技術(shù)和設(shè)備由日本廠商掌握。
3． 鈦酸鋰材料作負(fù)極的研究。提高比能量，降低成本。材料安全性好，壽命長，充放電比功率高。主要為美國專利。
4．混合電容—電池的結(jié)構(gòu)和工藝研究。材料壽命長，充放電比功率高，價格低，安全性好。目前中、日、韓均在進行此項研究，中國已有產(chǎn)品問世，不存在國外專利保護問題。
圖1 電容電池技術(shù)的發(fā)展
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7月16～18日于北京舉行的“第十六屆中國電動車輛學(xué)術(shù)年會暨第二屆電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會”上，中國國家“863計劃”動力電池測試中心主任王子冬從市場和技術(shù)層面全面分析了全球鋰離子動力電池的發(fā)展?jié)摿?。他指出，全?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/鋰離子">鋰離子動力電池市場正處于一個重大轉(zhuǎn)型期，在電動車（EV）市場需求帶動下，預(yù)計該市場規(guī)模在未來5年內(nèi)將超過2000億元人民幣。
王子冬首先以日產(chǎn)綠葉（Leaf）電動車為例，介紹了鋰離子動力電池的市場需求情況。該車將于2010年秋季上市，并計劃在2010年生產(chǎn)5萬輛，2012年生產(chǎn)20萬輛。以鋰離子動力電池產(chǎn)量來看，每輛綠葉的電池容量為24kWh,20萬輛的容量相當(dāng)于48億kWh。這是目前全球手機鋰離子電池30億kWh市場的1.6倍。即一款汽車就可以完全改變整個市場狀態(tài)。目前，全球主要汽車制造商都已宣布要大規(guī)模生產(chǎn)采用鋰離子電池的電動車，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(nèi)外大量投資
王子冬指出，電動汽車的量產(chǎn)為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)帶來了重要的發(fā)展機會。按照上述測算，幾年之內(nèi)，鋰離子動力電池市場將超過全球手機鋰離子電池市場的規(guī)模。這種改變將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房的新一輪投資，同時，眾多新進入鋰離子動力電池及材料的廠商將使相關(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，很多來自不同行業(yè)的廠商將目標(biāo)定位在電動汽車市場，欲在鋰離子動力電池商機中分一杯羹。
例如，索尼在2009年11月進入了電動汽車和大容量蓄電池領(lǐng)域，并表示未來幾年內(nèi)將在量產(chǎn)設(shè)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(zhǔn)備在2012年前投入1230億日元。另外，三菱重工在其長崎造船廠也投資了約100億日元建立實驗基地，準(zhǔn)備從2010年開始年產(chǎn)66MWh容量的鋰離子動力電池。
針對動力電池領(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，計劃針對電動車和混合動力車年產(chǎn)約6萬塊的鋰離子動力電池。
據(jù)王子冬介紹，中國的比亞迪和天津力神計劃將動力電池生產(chǎn)容量提升至10億Wh。近期全國在動力電池方面的投資總額約為22億美元。
鋰離子電池的應(yīng)用市場將從手機轉(zhuǎn)向電動車及智能電網(wǎng)領(lǐng)域
王子冬給出的一系列數(shù)據(jù)表明，電動車市場規(guī)模將從2009年的250億日元，激增至2010的3000億日元，并將在2012年超過便攜式電子產(chǎn)品市場，達到15800億日元。2014年將達22500億日元。從上述數(shù)據(jù)可以看出，市場在5年內(nèi)將增長90倍。
他接著分析表示，電動汽車中的鋰離子電池容量比手機中的高出幾個數(shù)量級。例如，目前手機中的鋰離子電池容量約為2-3Wh，而單一混合動力車電池組的容量約為1kWh，約為前者的500倍；電動車為20kWh，是前者的近1萬倍。
如果鋰離子動力電池實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，價格將會大幅下降，預(yù)計將在2015年降到約人民幣3750元/kWh，這時將有條件進入鐵路運輸和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。
隨著市場規(guī)模進一步擴大，當(dāng)價格降到約人民幣3750元/kWh時，鋰離子充電電池可考慮作為常備電池儲存電能，從而進入成本敏感型市場。
另外，在太陽能和風(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(wěn)定供電。而對于這種應(yīng)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(yīng)用相當(dāng)廣闊。2015年后，甚至可以進入公共建筑和家庭。
中國電網(wǎng)公司也在積極開展10MWh級的鋰離子電池儲能系統(tǒng)的試驗項目。
提高鋰離子電池能量密度
為了滿足電動車等市場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(biāo)是120Wh/kg，遠期目標(biāo)是 500Wh/kg。
全球各電池廠商已經(jīng)對陰正極、負(fù)極材料、隔膜與電解質(zhì)等關(guān)鍵元件做出選擇。通常，廠商們選擇的是日本廠商開發(fā)的材料。
據(jù)王子冬介紹，日立制作所與日立車輛能源于2010年1月開發(fā)出了插電式混合動力車的鋰離子動力電池，能量密度為120Wh/kg，在SOC為50%時，輸出功率密度為2400W/kg。
在開發(fā)中，為了提高能量密度，調(diào)整了原來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(dǎo)電材料碳調(diào)整為電流易流通的材料，降低了電極的內(nèi)部電阻。電池容量達25Ah，正極采用了錳（Mn）類材料，負(fù)極用的是碳材料。隔膜材料用耐熱陶瓷取代了原來的聚乙烯，保證隔膜在200℃高溫下不會收縮，并可防止正負(fù)極短路。同時，模擬分析了電池結(jié)構(gòu)及振動等，提高了抗振性能。并通過調(diào)整集電結(jié)構(gòu)，確保了可靠性。
另外，日立最新一代混合動力車鋰離子動力電池的輸出功率密度已達4500W/kg，為散熱性更好的方形結(jié)構(gòu)，正極采用錳（Mn）類材料，負(fù)極是非晶碳材料。
王子冬表示，目前鋰離子動力電池在車上占用的空間較大，成本很高，且能量密度僅為90～120Wh/kg，仍然無法滿足電動車長距離出行的需要。因此，各電池廠商仍需進一步改善能量密度、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。
主要材料體系特點分析
目前，全球廠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。主要為美國專利。
2． 長壽命錳酸鋰材料研究。通過摻雜和生產(chǎn)工藝改進，提高高溫穩(wěn)定性。材料價格低，比能量高。目前工藝技術(shù)和設(shè)備由日本廠商掌握。
3． 鈦酸鋰材料作負(fù)極的研究。提高比能量，降低成本。材料安全性好，壽命長，充放電比功率高。主要為美國專利。
4．混合電容—電池的結(jié)構(gòu)和工藝研究。材料壽命長，充放電比功率高，價格低，安全性好。目前中、日、韓均在進行此項研究，中國已有產(chǎn)品問世，不存在國外專利保護問題。
圖1 電容電池技術(shù)的發(fā)展
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