锂电池基础知识介绍

锂电池基础知识介绍一、锂电池基本知识锂离子电池的特点•运用于汽车领域正成为一项核心技术•优点：重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛，是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用动力。•缺点是价格较贵、安全性较差。不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料，大大提高了锂离子电池的安全性，而且降低了成本。各类蓄电池对比（纵向对比横向）铅酸镍镉镍氢锂离子传统液态聚合物铅酸质量能量密度、体积能量密度、工作温度范围、自放电率、可靠性质量能量密度、体积能量密度、自放电率质量能量密度、体积能量密度、电压输出、自放电率质量能量密度、体积能量密度、结构特点、自放电率镍镉更好的可循环性、电压输出、价格质量能量密度、体积能量密度质量能量密度、体积能量密度、电压输出、自放电率质量能量密度、体积能量密度、结构特点、自放电率镍氢更好的可循环型、电压输出、价格工作温度范围、更好的可循环性、自放电率、可靠性质量能量密度、体积能量密度、工作温度范围、自放电率、电压输出质量能量密度、体积能量密度、结构特点、自放电率锂离子传统液态更好的可循环性、安全、价格工作温度范围、更好的可循环性、价格、安全价格、安全、自放电率、重复循环质量能量密度、体积能量密度、结构特点、安全、价格聚合物更好的可循环性工作温度范围、更好的可循环性、价格体积能量密度、更好的可循环性、价格工作温度范围、更好的可循环性绝对优势更好的可循环性、价格工作温度范围、价格体积能量密度质量能量密度、体积能量密度、自放电率、结构特点质量能量密度、体积能量密度、自放电率、电压输出、结构特点资料来源：陈清泉、孙立清，电动汽车的现状及发展趋势，科技导报，2005年4月，第23卷第4期锂离子电池分类锂离子电池聚合物锂离子电池(LIP)电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。固体聚合物电解质凝胶聚合物电解质聚合物正极材料液态锂离子电池(LIB)聚合物锂电vs.液态锂电聚合物——下一代锂离子电池•优势1：用固体电解质代替了液体电解质–具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点；–不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，由此用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而提高整个电池的比容量。•优势2：可采用高分子正极材料–其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50％以上。•优势3：在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。•劣势：工作温度、循环性能上需要突破锂离子电池产业链分析电芯原材料：正负极材料、电解液、隔膜等。电池制造商：电芯制造；PACK组装。锂电池应用领域：矿灯、电动车、电子消费品等矿资源：钴、镍、锰、磷、铁、锂及各种化合物上游中游最上游下游最上游：矿资源•最上游是矿资源，包括钴、镍、锰、磷、铁、锂及各种化合物。目前，钴和锂用量最大。•国内钴生产领头企业有金川、华友、嘉利柯和优美科四家，年产量都在1500吨以上，国内金属钴储量极少，目前约80%的金属钴靠进口。•锂资源在中国储量相对丰富，仅次于智利、阿根廷。国内资源目前主要被中信国安、西藏矿业掌控，并同时生产工业级碳酸锂。而电池级碳酸锂则由天齐锂业、尼科国润供应，其中天齐锂业技术最成熟，是行业标准制定者，约占国内60%的市场份额，并且有部分出口。上游：电芯原材料正极材料,30%负极材料及其他,28%隔膜,30%电解液,12%•是锂电产业中最核心的环节。•电芯原材料包括：正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜等。•电池成本分布如下：中游：电芯制造和PACK组装•劳动密集型的产业，国内外涉足企业众多。•产业主要分布在日本、韩国、中国和台湾。•大厂竞争优势明显，例如：索尼、三洋、三星、LG化学、比亚迪、比克、力神、ATL能源这样的锂电巨头。•近两三年来发展迅猛。下游：电池应用领域•锂电池的应用领域极广，涉及低端、中端、高端三块市场，可以应用于电动工具、UPS电源、矿灯、玩具、电动自行车、电动汽车等领域，这些都是关系民生的消费量，此外在军事和航天领域也是一种最佳的动力电池。•由于台湾厂商在全球NB及手机等市场的极大影响力，带动了国内锂电池产业发展。目前，我国锂电产业以NB及手机为主要应用，并逐步扩张至高功率的电动手工具、电动车等市场。•全球关注焦点——新能源电动/混合动力汽车电芯原材料之正极材料篇•市场容量最大、附加值较高的是正极材料，大约占锂电池成本30%，毛利率低则15%，高则70%以上，取决于材料。•目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。•镍酸锂电池安全性最差（过充易起火），高温耐受度最低（高温分解），合成难度最高。不在下表中进行对比。•钴酸锂最早实现商业化应用，技术发展至今已经很成熟，并已广泛应用在小型低功率的便携式电子产品上，如手机、笔记本电脑和数码电子产品等。•磷酸铁锂材料是当前用量最少的一种正极材料，据统计，2008年全球供应量1500吨左右，其中最大供应商A123供应750吨，国内厂商供应量500吨左右。常见正极材料性能比较（按目前工艺）正极材料钴酸锂*镍钴锰三元材料锰酸锂磷酸铁锂*材料结构层状氧化物层状氧化物尖晶石橄榄石振实密度(g/cm3)2.8-3.02.0-2.32.2-2.51.0-1.4比表面积(m2/g）0.4-0.60.2-0.40.4-0.812-20克容量(mAh/g）135-145155-190100-120130-150电压平台(V)3.63.5-3.63.7-3.93.2-3.3循环次数=300=800=500=2000过渡金属贫乏贫乏丰富非常丰富原料成本(USD/g)很高(26-50)高(22-40)低廉(15-28)低廉(15-28)环保含钴含镍、钴无毒无毒安全性能差，稳定性低较好良好优秀合成困难度容易难难中等温度耐受性尚可，-20~55℃以外会衰退尚可，-20~55℃以外会衰退差，高于50℃迅速衰退极佳（-40~70℃仍正常使用）适用领域小电池小电池/小型动力电池动力电池动力电池/超大容量电池缺点1.材料成本高2.安全性低安全性待加强1.高温自放电2.循环寿命短1.导电度差2.体积大正极材料2009年市场预测资料来源：IITLIB-relatedStudyProgram08-09(March2009)注：LCO=钴酸锂，NMC=锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂图1：锂离子电池正极材料平均价格变动趋势如图1所示，几乎没有一家公司选用LCO作为汽车锂离子电池正极材料。在当前市场中（主要集中于便携设备），即使锂金属及相关物质价格在下降，但是钴使用量下降的趋势不会停止。预计LCO在09年的所占的市场份额将从08年的69%下降到50%。锂电供应商使用正极材料的比例图2：各家锂电池供应商使用正极材料的比例资料来源：IITLIB-relatedStudyProgram08-09(March2009)注：LCO=钴酸锂，NMC=锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂正极材料供应商市场占有率•图3显示了正极材料供应商整体的市场占有情况。09年预测正极材料总需求量为30845吨，同比下降16%。•最大的两家供应商Nichia和Umicore仍然销售大量的LCO，但他们向Sanyo和SDI销售的NMC的量均有增长。第三大供应商韩国的L&F正用LGC研制的NMC配方技术提高其产量。排名第四的田株式会社则采用LNO作为主要产品。图3：09年各家锂电池正极材料供应商市场份额预测资料来源：IITLIB-relatedStudyProgram08-09(March2009)注：LCO=钴酸锂，NMC=锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂电芯原材料之负极材料篇•负极材料占锂电成本比例较低，在国内已经实现产业化，行业前三甲企业是深圳贝特瑞、上海杉杉、长沙海容，基本满足国内市场需求。碳负极材料:•被目前商品锂离子电池广泛采用•优点：安全、循环寿命较长，价格低廉、无毒•缺点：质量比能量比较低非碳负极材料:•按组成分类：锂过渡金属氮化物、过渡金属氧化物和纳米合金材料。•优点：有很高的体积能量密度。•缺点：循环稳定性差，不可逆容量较大，制备成本较高，尚未产业化。负极材料未来发展趋势以提高容量和循环稳定性为目标，将碳材料与各种高容量非碳负极材料复合以开发高容量、非碳复合负极材料。负极材料的类别及特点、制造工艺，详见《锂离子电池负极材料详解》负极材料目前产业化现状在锂离子电池负极材料中，石墨类碳负极材料以其来源广泛，价格便宜，一直是负极材料的主要类型。我国拥有丰富的天然石墨矿产资源。除石墨化中间相碳微球（MCMB）、低端人造石墨占据小部分市场份额外，改性天然石墨正在取得越来越多的市场占有率。据来自全球电池强国日本的权威信息表明：深圳市贝特瑞电子材料有限公司研发生产的锂电池负极材料目前处于国内第一，世界第四的地位。公司研制、生产的高端负极材料产品，首次放电容量达360mAh/g以上，首次效率大于95%，压实比达1.7g/cm3，循环寿命500次容量保持在88%以上。产品出口至日本、韩国、美国、加拿大、丹麦、印度等国家，并在国内40余家锂电厂家应用。该公司年产1800吨天然复合石墨、1200吨人造石墨负极材料、3000吨球形石墨、5000吨天然微粉石墨和600吨锰酸锂正极材料，并正在不断扩大生产规模。电芯原材料之隔膜篇•认识锂电池隔膜•锂电池隔膜材料类别•国内外锂电池生产企业介绍•国内隔膜产业发展现状•国内隔膜市场容量分析•锂电池隔膜发展趋势•隔膜产业投资分析•锂电隔膜评级指标•详见《锂离子电池隔膜及市场详解》电芯原材料之电解液篇•电解液占锂电池成本的12%左右，毛利率接近40%。目前国内已基本实现国产化，只有少部分使用进口电解液。•根据2007年全球产业调查报告，锂电电解液市场主要集中于日本宇部（UBE）和韩国ECOPRO公司，共占全球市场份额的50%。国内主要生产企业有国泰荣华、珠海赛纬电子、天津金牛、东莞杉杉等10余家。其中，张家港国泰荣华占8%，中国其他企业5%。•电解液主要原材料为六氟磷酸锂（LiPF6），占成本的50%左右，其生产成本为10万元/吨，售价40万元/吨，毛利率高达75%。六氟磷酸锂的原材料硅石/碳酸锂都可以在国内采购到，但是国内尚未有企业能够生产六氟磷酸锂。目前市场被日本几家企业垄断。左图：全球锂离子电池电解液主要生产企业市场占有率电解液:未来工艺和市场发展趋势•目前全球锂电电解液市场供求基本平衡，主要是靠锂电池市场，未来则看电动车行业发展。–初步估算，一辆混合动力车需要电解液40公斤，而全球电动车辆2010年预计260万辆，其中锂电份额占10%，大约需要1.04万吨电解液，至2015年，电动车辆数量将达到900万辆，锂电份额占60%，届时消耗的电解液将达到2.4万吨。因此，电解液3-5年后依然是一个朝阳产业。•锂离子电池电解液材料未来——高安全性、高环境适应性；主要发展将集中在：–新型溶剂（工作温度范围拓宽）、–离子液体、新型锂盐（提高环境适应性）、–添加剂（阻燃、氧化还原穿梭、保护正负极成膜等）等方面，与新型正、负极材料相匹配，提高安全性、功率和容量，最终安全方便地应用于电动车、储能、航天以及更广泛的领域。电芯原材料之其他材料篇•在锂离子电池成本占比方面，粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜较低。•粘结剂、导电剂、铝塑复合膜毛利较高，产品主要依赖进口。•粘结剂由阿科玛（法）、苏威（比）、三井化学（日）、吴羽化学（日）供应。•导电剂由瑞士特密高供应。•铝塑复合膜由大日本印刷、日本昭合供应；上述企业在国内均有代理商。特别篇：磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池定义•磷酸铁锂电池是指用磷酸铁