电动汽车用高性能磷酸铁锂动力电池

电动汽车用高性能磷酸铁锂动力电池研发及产业化项目可行性报告一、立项依据（一）项目的目的及意义在石油资源日渐短缺、环境污染日益严重的今天，能源、资源、环境与人类社会的和谐发展日益成为关注的焦点，寻求开发传统石化能源的替代能源、实现无害资源产业发展、谋求人与环境的和谐，实现汽车等主流交通工具能源供给清洁化显得尤为迫切。今天电动汽车的广泛应用已经成为了现实，高能密度、大容量、低成本电池的需求愈来愈强烈。全世界现在运行着近5亿辆轿车，其尾气是造成大气污染的主要原因之一。随着全世界石油资源的逐渐枯竭，必须寻找合适的替代能源。上世纪90年代以来，全球汽车大公司纷纷转向研究动力汽车，投入巨资展开激烈角逐。丰田公司应用混合动力技术的Prius车于2005年在中国上市，引领全球汽车界向绿色节能方向发展。根据丰田汽车公司的测试，Prius轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油44.4%；在市郊节油29.7％，综合节油40.5％。我国也于十五期间启动实施了电动汽车重大专项，顺应了世界汽车产业的发展潮流，对于提升我国汽车工业的核心竞争力，实现跨越式发展发挥了重要作用。根据中国汽车工业发展规划的要求，中国电动汽车产业的发展目标是：到2010年，电动汽车保有量占汽车保有量的5%-10%，年生产销售电动汽车150万辆以上；到2030年，电动汽车保有量占汽车保有量50%以上，年生产销售电动汽车1000－1950万辆。目前电动车动力电池主要有四种：铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池和锂动力电池。从现在的水平看还各有优势，但随着人们环境意识的逐渐提高，以及铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池自身的劣势，它们必将逐渐退出历史舞台，因此锂离子动力电池具有广阔的应用前景。在这种背景下，作为电动汽车能源供给之源——电源的研究显得非常重要。如上所述，在现有的各种动力电源系列产品中锂离子电池具有最良好的应用前景，但是锂离子电池因所用电极材料体系不同其性能又有着千差万别。现在研究较为成熟的正极材料钴酸锂，由于其安全性较差，只作为常规的中小容量电池的正极材料，基本上不具备制作大容量高功率动力电池的可能性。磷酸铁锂电池是近几年来开始引起广泛关注的新型锂离子电池，由于磷酸铁锂(LiFePO4)材料具有比能量高、循环寿命长、结构稳定、安全性能好、成本低廉，作为动力电池具有质量比能量高、单位价格/寿命低、工作电位高等诸多优势；另外磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质不会对环境构成任何污染，被世界公认为绿色环保电池材料，该材料无论在生产及使用中均无污染，它正成为中大容量、中高功率锂离子动力电池首选的正极材料。磷酸铁锂电池作为动力型电源，必将成为铅酸、镍氢及锰、钴等系列电池最有前景的替代品。因此，磷酸铁锂电池被认为是标志着“锂离子电池一个新时代的到来”。聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，用铝塑复合薄膜制造电池外壳不会产生漏液与燃烧、爆炸等安全性的问题，可提高整个电池的比容量，同时电池的工作电压和充放电循环寿命等电化学性能比液态锂离子电池有所提高。本项目充分利用磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料和聚合物锂离子电池的优越性，开发新型容量具有40-60Ah高功率聚合物LiFePO4动力电池产品。利用聚合物电池本身特有的安全性能使大容量高功率聚合物LiFePO4动力电池的安全性得以进一步提高，提升综合电化学性能满足汽车对能源供给的需求。二十一世纪可谓是“呼唤绿色环保”的时代，不但要求人们注重节约能源，更重要的是要求人们更加注重居住环境和绿色环保，以实现社会的可持续发展。我国石油资源比较贫乏，并且燃油与尾气排放的污染物是大气污染的主要污染源，不利于环境保护和社会可持续发展。为此中国发展电动车无疑是未来社会发展的必然要求，也是符合绿色环保革命的需求，更是一种实现社会可持续发展的工具。本项目提出采用高安全性磷酸铁锂作为正极材料制备聚合物动力电池，将寻求解决困扰科研工作者多年的电池安全性问题，同时也将为全国的汽车工业注入新的活力，提高产品的竞争力，并将有效的避免由于汽车尾气而造成的环境污染问题。目前电动汽车更加广泛的推广应用最主要的困难在于高性能动力源技术不能够得到有效的解决，现有电池产品难以满足汽车对寿命、动力性能等的要求。本项目的实施即着眼于这些问题的解决，项目的实施将提供电动汽车动力源供给方案，有效解决目前所面临的技术瓶颈，为电动汽车的广泛应用提供高性能、低成本的动力源，使电动汽车产业发展不再负重前行。（二）国内外技术发展现状与趋势目前锂离子电池已经广泛应用于手机、笔记本电脑等领域，并有着不俗的表现，但是如何将锂离子电池应用于动力领域还面临诸多问题。如何把锂离子电池容量和体积做大的同时又能够使电池电化学性能和安全性能得到保障，一直是制约动力锂离子电池发展的瓶颈，同时一直制约着电动车工业发展。由于锂离子电池能量密度高，在过充电、短路、热冲击等状态下，电池容易发生燃烧或爆炸，造成较大的伤害。动力型锂离子电池诸如此类的问题一直是人们关注的焦点和国内外研究的热点。目前动力电池产品普遍面临的问题主要有以下几个方面：（1）电池安全性得不到保障。目前中小容量锂离子电池的产业化已经非常成功。但是由于大容量高功率锂离子动力电池的安全性问题得不到有效解决，一直制约着其产业化的发展，因为电池容量愈大，其一旦失控所造成的危害就愈大。所以如何解决锂离子动力电池的安全性问题已经成为困扰其产业化发展的根本性问题。（2）电池容量有限，未能实现突破。续驶里程短是困扰动力电池在电动车上广泛应用的一大难题。目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100～300km，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有50～100km。比起传统燃油汽车而言电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点。要解决电动汽车的续驶里程必须从根本上解决其动力源—电池容量问题。能否有效提高蓄电池容量已经成为其在电动车领域能否获得广泛应用的制约因素。（3）电池循环寿命短。普通蓄电池充放电次数仅为300～400次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700～900次，按每年充放电200次计算，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足，例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速动力差且寿命短。镍镉电池加速动力足、寿命较长。但其成本高、可回收性差。钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程。但它要求的工作环境较苛刻。且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。就整体来看。成熟电池的寿命都相对较短。为此开发新型动力电池成为了促进电动车发展的关键。（4）电池质量和尺寸制约。现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。如果电动汽车自身装备质量大，就会影响加速性能和最大车速的提高。例如，现有电动汽车电池的外体积一般要达到550L。当把这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间。为此开发单位体积容量大的电池就成为了当务之急。（5）电池价格昂贵。主要是电池技术复杂，成本太高；另外也由于采用一系列新材料、新技术，增加了电动汽车的制造成本，同时也使动力电池的应用受到了极大的限制。电动汽车蓄电池的价格约为100美元/kwh，甚至有的高达350美元/kwh，成本太高，用户难以承受。为此制造生产价格相对较低的电池成为了动力电池获得广泛应用的关键性问题。（6）对环境的污染严重。目前使用的动力电池主要为铅酸动力电池、镍氢电池、镍镉电池。铅酸电池中的铅，镍镉电池中的镉从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染。另外在其废弃后若处理不当，仍将对环境造成二次污染。所以开发从正极材料的制备到电池的生产、使用以及废弃后对环境无污染的正极材料动力电池已经势在必行。因而，如何解决动力电池安全性问题、容量问题、寿命问题、电池尺寸和重量问题、电池的成本问题和环保问题成为动力锂电池商品化的关键。本项目提出采用高安全性磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料，同时应用于聚合物体系中，一方面利用磷酸铁锂和聚合物电池自身的高安全性来解决电池在各种苛刻条件下工作的安全问题，另一方面利用磷酸铁锂正极材料成本比钴酸锂大为减少，同时具有比容量较大、安全性能好、循环性能优异、环境友好等特点实现对动力电池安全、容量、寿命、重量、成本和环保问题的有效解决。目前国内外研究的磷酸铁锂动力电池主要是液态锂离子电池。磷酸铁锂及其液态锂离子电池正逐步进入产业化阶段，国际上仍以美国的Valence、Phostech、A123和日本的Sanyo、Sony等公司为代表，在大力发展以LiFePO4为正极的安全型高容量锂离子电池系列。以Valence公司为例，近期开发了N-Charge、VLNC2590、U-Charge及K-charge四个系列，其中后二个系列为动力电池，U-Charge为12.8V、40～130Ah电池组，K-charge为25.6～51.2V、48～92Ah电池组，比能量为91.6～101Wh/kg、能量密度在130～145Wh/L，除了优良的安全性外，可在-20℃～60℃放电，及-40℃～60℃储存。U-Charge电池质量比铅酸电池轻了36％，其一次充电后运行时间是铅酸电池的2倍，循环寿命前者达后者的6～7倍，考虑80％DOD的循环运行费用及购买电池价格，用户使用U-Charge的费用仅为铅酸电池的44％，其市场前景广阔。国内咸阳威力克能源有限公司，广州市鹏辉电池有限公司，天津力神、东莞ATL、台湾必翔等都成功地开发了一些小型的锂离子动力电池，但是大容量高功率磷酸铁锂动力电池的工艺开发还未成功。国内还有锂离子动力电池的开发厂家有深圳雷天公司、苏州星恒公司、中信国安盟固利公司等，但是他们普遍以钴酸锂、锰酸锂作为电池的正极材料，所装配的电池的安全性得不到保证，在条件比较苛刻的情况下运行，电池容易起火燃烧甚至爆炸。如2004年10月由深圳某公司生产的TS-LP8581A（100AH）电池按照14个单体串联一组，48V/100Ah电池组供应给韩国一电动车研发公司，在一次充电时电池组发生燃烧。东莞市迈科科技有限公司联合天津大学此时介入了大容量高功率锂动力电池的研究开发中正当其时，其充分利用磷酸铁锂正极材料和软包装聚合物锂离子电池本身特有的安全性能和电化学性能，研究开发大容量高功率磷酸铁锂聚合物锂离子动力电池，以便能彻底解决困扰钴酸锂、锰酸锂体系的锂离子动力电池瓶颈问题，这是时刻关注国际动力电池最新进展的所作出的战略性决策。目前已经完成了磷酸铁锂材料的先期合成工作与6-8Ah电池的开发工作。材料性能达到了美国VALENCE公司材料的标准，产品符合相关检测标准，性能优良。聚合物磷酸铁锂动力电池制作工艺技术的开发在整个项目过程中最为重要。在《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中将发展高效二次电池材料及关键技术作为重点支持的产业，本项目是符合产业政策和产业发展方向的，利用迈科科技有限公司强大的研发队伍、产业基础、强大资金支持和天津大学雄厚的研发力量，双方联合开展技术攻关，已经具备了开发大容量高功率磷酸铁锂聚合物动力电池的能力。（三）项目的产业化前景分析伴随着世界性燃料储量日益减少的危机，以及环境污染的日益严重，尽快发展以蓄电池为主要动力源的交通工具显得迫在眉睫。但传统蓄电池做为一种大功率，大容量的动力电源，并没有解决其本身的致命弱点：比能量低（一次性充电达不到理想的续驶里程）；比功率小（加速爬坡能力低，在大电流放电时很难趋于平衡状态）。锂动力电池的产生，为使用大功率大能量的驱动设备提供了新的憧憬。根据锂动力电池的性能（包括充放电特性，温度特性，循环寿命，自放电性，安全性）的综合分析和实际验证，锂离子动力电池的应用前景之广阔，使用范围之宏大，是无法估量的。锂动力电池现在已具备广泛进入市场的能力，这种电池的优点是体积小，比能量大，其可做为一种轻便可移动式的动力电源走向市场。已经引