锂电池的广泛前景及发展障碍.doc

2010年01月28日 作者：屈伟平 来源：《中国电源博览》第100期 编辑：李远芳 　　1 什么是锂离子电池 　　锂离子电池(Lithium? Ion? Battery，缩写为LIB)，又称锂电池。锂电池分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物。 　　锂电池是迄今所有商业化使用的二次化学电源中性能最为优秀的电池，这也是促进锂电池用于电动助力车的一个关键因素。主要的可以概括如下： 　　（1）比能量高：无论是体积比能量，还是重量比能量，锂电池均比铅酸蓄电池高出三倍以上。由此决定了锂电池体积更小、重量更轻，其市场消费潜力很大； 　　（2）循环寿命长：锂电池用于电动助力车的循环寿命一般在800次以上，采用磷酸铁锂正极材料的锂电池可以达到2000次左右，超出铅酸蓄电池1.5倍至5倍以上。这大大降低了锂电池的使用成本，提高了消费者的使用便利程度； 　　（3）具有较宽的充电功率范围：这是锂电池具有的独特优势。在需要时，可以1C～3C充电，使充电时间控制在20分钟～1小时，充电效率达到85%以上。在进一步技术创新的基础上，这一特性得到更好的发挥，可以具有很好的商业价值； 　　（4）倍率放电性能好：锂电池的倍率放电可以达到10倍率以上，特殊制作可以达到30倍率。这一特性非常有利于电动助力车的智能控制骑行技术的发展。只是目前对这一特性尚未有很好的开发与利用。 　　我国锂离子电池产量全球第一，生产量占世界总量的三分之一以上，100多家锂电生产企业对锂离子电池材料需求殷切，不少厂商都计划在今后两年内把产量大幅提高。目前，中国锂电制造企业形成了液态锂电以比亚迪为首，聚合物锂电以TCL电池为首的两大巨头。TCL电池完成了聚合物锂离子电芯从技术研发到大规模生产的全过程，并且迅速走到了这项技术的最前沿。TCL生产的聚合物锂电芯在电池电化学阻抗、能量密度、高低温放电等方面均已跻身世界一流行列，比亚迪是液态锂离子电池的老大，而TCL则是新一代聚合物锂离子电池的老大，聚合物锂电比液态锂电具有优势。 2 锂电池的原材料 　　锂离子电池由正负电极、电解质、聚合物隔离膜及保护电路芯片组成，锂电池的上游有正极材料、负极材料、隔膜、电解液、锂资源等。其使用的材料见表1。 ?　　2.1 正极材料 　　电池的发展史，正是一部材料科技的进步史。工艺的改进使电池量变，新材料的发明促使电池质变。可以预见的是，采用含有锂元素的导体材料（离子化合物、聚合物）作为电极材料是高能电池的最佳选择。 　　锂电池根据正极材料不同，可分为磷酸钴锂、磷酸锰锂、磷酸铁锂三种。磷酸钴锂由于钴价高昂而被放弃；磷酸锰锂相较于磷酸铁锂，在安全性和使用寿命方面不高；在可预见的将来，磷酸铁锂将成为锂电池的主要正极材料。通用的Volt和比亚迪的F3DM都采用磷酸铁锂电池。随着锰酸锂和磷酸铁锂等极具发展前途的正极材料的技术进步，其在动力电池领域也开始了扩张的步伐。 　　贝特瑞公司是锂电池碳负极材料和磷酸铁锂正极材料的龙头。贝特瑞在国内拥有40多项锂电池正负极材料专利，2008年销售额1.8个亿，净利润3000万，预计2009年全部销售额4-5个亿，2010年8-10个亿，同比保持100%历史增速。 　　2.2 负极材料 　　目前业界对负极材料的研究相对较少，其实负极与正极对锂离子电池具有同等的重要性。在正、负极材料的选择上，正极材料必须选择高电位的嵌锂化合物，负极材料必须选择低电位的嵌锂化合物。 目前，开发和使用的锂离子电池负极材料主要有石墨、软碳(sOft Carbon)、硬碳(Hard Caobon)等。在石墨中有天然石墨、人造石墨、石墨碳纤维。在软碳中常见的有石油焦、针状焦、碳纤维、中间相碳微球(Mesocarbon Microbends，缩写MCMB)等。硬碳是指高分子聚合物的热解碳。常见的有树脂碳、有机聚合物热解碳、碳黑等。 　　目前除石墨材料外，其他各类材料都还存在一些尚未解决的难题，目前还不能应用于LIB的生产。例如无序炭尽管放电容量很大，但不可逆容量也很大，而且电位滞后现象严重一一即Li?嵌入的电位接近0V而Li?脱出的电位接近1V，与无序炭类似。B-C-N系化合物和C-Si-O系化合物的放电曲线为——“斜坡”，不象石墨材料那样在低电位处有一个电位平台。过渡金属氧化物用作LIB负极活性材料时的主要问题是不可逆容量大和充、放电电位平台高。锂一过渡金属氮化物则由于其对空气湿度的敏感，因此实际应用仍受到限制。至于锂合金材料则因在合金化过程中体积膨胀率太大，致使电极材料在反复充、放电时粉化、导电网络中断，因此循环性能很差。对这些问题还有待进一步的研究