A123Valenceandphostech历史及专利解析.pdf

A123systemsA123systems,后来居上的铁锂制造企业世界石油资源的逐渐枯竭，以及化石燃料环境污染问题的日益严重，使用新的能源替代石油资源等传统燃料作为汽车动力的新来源的时机正不断成熟，汽车制造业的一次重大技术革命正在紧锣密鼓地开展着。以动力蓄电池为主要或辅助动力源的混合动力(HEV)或纯电动汽车(EV)制造成为汽车产业技术创新的重点。自从1991年Sony公司成功把锂离子蓄电池商品化以来，锂离子蓄电池已逐渐成为手机、笔记本电脑和数码电子产品的主导电源。作为新生代产品的动力锂离子电池凭借能量密度和功率密度较大，无记忆效应和自放电较小以及循环寿命较长等优点渐渐成为了车载动力蓄电池的主流选择之一。当前许多知名的汽车制造商都致力于开发采用锂离子动力电池的电动汽车，如美国Ford、Chrysler，日本Toyota、Mitsubishi、Nissan、韩国Hyundai、法国的Courreges和Ventury等公司。部分国外企业与知名研究机构在混合动力汽车和纯电动汽车动力锂电池研发上也做出了积极的努力，如Hitachi、GS-Yuasa和Panasonic等公司积极参与日本**推动的“新阳光计划”的研究。Toyota公司在取得混合动力汽车用氢镍电池经营权的同时，投资建设了自己的动力锂离子蓄电池生产线，并尝试将锂离子蓄电池应用于混合动力车。新能源技术开发机构（NEDO）于2007年2月公布了新的电动汽车用蓄电池开发计划。此外，韩国LG公司也开始研制大功率聚合物锂离子电池，目前已推出6Ah-144Wh/kg和10Ah-158Wh/kg两种型号的动力电池。法国SAFT公司研制的两种规格的高功率锂离子电池，比功率分别为l500W/kg及350W/kg。在锂电池之中，目前昀被看好的是磷酸铁锂电池，代表公司包括美国A123Systems公司,台塑長園公司和加拿大的PhostechLithium公司等。其中，A123Systems公司凭借其独创的先进技术，迅速占领市场先机，成为锂电池界的“中流砥柱”。公司基本情况：2001年，A123Systems公司由麻省理工学院(MIT)材料科学与工程学蒋业明(Yet-MingChiang)教授，商业研究顾问RicFulop和康乃尔大学材料科学BartRiley博士创立，由MIT，Motorola公司，GE公司及其他投资者共同创建，是新一代锂离子电池研究，生产及销售一体的高科技公司，总部位于马萨诸塞州。A123Systems公司是目前全球昀大的纳米磷酸盐化学电池制造商，也是世界上主要的高功率锂离子电池供应商。该公司每年的电池产量超过一千万件，其中大多数应用于可充电动力装置。锂离子电池年产量已经超过500万只，用于电动工具及远程通信，客户包括Black&Deker,Motorola，Google，GE等公司。A123Systems公司在中国（包括台湾），韩国设有制造工厂，它在江苏省常州筹建的高博能源电池有限公司，专门生产电动汽车及混合动力汽车用锂离子电池，现有客户包括GM,BMW，Volvo等公司。A123Systems公司的纳米电极材料专利技术来自于美国麻省理工学院，其产品摆脱了不少传统技术的束缚，在系统设计方面为原始设备制造商提供可扩展的弹性空间。A123Systems公司生产的锂电池在电池功率、安全性及寿命方面表现卓越，并具有很高的性价比。成长历程：2001年，A123Systems公司刚成立时，总员工数只有5人，资金来源只有美国能源部的科技项目经费10万美元。2003年，A123Systems公司研发出可用于商业化生产的电池。2004年初，在台湾太电电能公司的协助下，A123Systems公司每月能生产出1公斤的粉体和一套电池原型，顺利筹集2，000万美元作为前期资本。2005年11月，公司第一批产品在亚洲走下装配线，从制造钱币大小的演示电池发展到建造50米长的涂层机和拥有数百名员工的28,000平方米的工厂。2006年，A123Systems公司的电池年产量达到数百万块，取得美国能源部的1500万美元混合车用电池发展订单。同时，获得GE，Motolora，Qualcomm，P&G等知名企业的支持。同年，A123Systems公司在江苏省常州市设立生产基地。2007年初，A123Systems公司的资本额激增到1.02亿美元，员工人数超过250人，来自美国《财富》杂志“500强企业”的订单超过1亿美元，现在每年产出数百万颗电池芯和数百吨正极材料粉体。被美国《财富》评为“15家即将改变世界的公司”之一。名字由来：来源于Hamaker常数，该常数用来计算纳米尺寸粒子之间的吸引力和排斥力，因此命名为：A123system，如下图所示：技术优势：目前技术上位于世界前列的磷酸铁锂制造公司包括美国A123Systems公司,台湾Aleees公司和加拿大的PhostechLithium公司等。PhostechLithium公司的技术特点在于依靠添加适当的碳来提高电池的电容量与导电性。Aleees公司主要在前驱体处于过饱和状态下，对其进行机械搅拌，使金属氧化物与磷酸铁锂发生结晶作用，得到稳定而具有高容量与低阻抗的磷酸铁锂复合材料。A123Systems公司则制造出具有均匀纳米尺寸的磷酸铁锂正极材料，依靠颗粒尺寸小和大的比表面积而大幅度提高电池的充放电效率，并且电池的整体稳定性和循环寿命均相比于传统锂离子电池有显著提高。掺碳和掺金属是对磷酸铁锂材料进行改性提高电化学性能的重要途径。然而，这些技术目前已经处于比较成熟的阶段，发展空间有限。而小尺寸的磷酸铁锂材料则是近几年来人们研究的重点。相比之下，纳米磷酸铁锂材料凭借优良的电化学性能越来越受到人们的重视。在现阶段，纳米磷酸铁锂技术正被A123Systems公司独家垄断。该公司只与电池厂合作生产电池，从不出售纳米磷酸铁锂材料。可以说，纳米磷酸铁锂技术是A123Systems公司处于电池界领先地位的“杀手锏”。相当长一段时间内，A123Systems公司在纳米磷酸铁锂材料研究领域拥有绝对的技术领先优势。技术解读：与以氧化物为基础的锂离子电池材料和其他类型磷酸盐材料相比，纳米磷酸盐粒子的尺寸要小几个数量级，所以纳米磷酸盐离子活动性更强，从而使锂离子更容易嵌入和嵌出，这样可以产生更高的放电容量图1尺寸上体现的优势对于传统的氧化物锂离子电池而言，为了防止电池在使用过程中产生的副反应，并且从安全因素方面来考虑，需要大尺寸的粒子。而大量研究表明，电极材料的粒子尺寸越大，锂离子在运动过程中路径越长，在放电过程中易产生更大的极化，其容量保持率越低。因此，相比之下，传统的锂离子电池容量比率相对较低。图2电极反应过程体现出的稳定性作为锂离子电池的正极材料，锂离子的脱嵌与嵌入过程中结构变化的程度和可逆性决定了电池的充放电稳定性。如图2所示，传统的锂离子电池，如钴酸锂，锰酸锂等金属氧化物锂离子电池，在充电过程中金属经历一个氧化过程，其价态会从正3价到正4价，高价态会引起电解质的分解以及腐蚀集流体，同时造成活性物质的损失，破坏晶格，阻止锂离子的嵌入，增加不可逆容量，稳定性减弱。相比之下，磷酸铁锂充放电过程中，铁的价态是从+2价与+3价之间的转换，这是磷酸铁锂稳定性较强的原因之一。强的稳定性可以减小极化，减少热量损失。纳米磷酸盐电池释放阵发电能的速率可以达到传统的锂离子电池的10倍。A123Systems公司创始人之一，MIT材料科学与工程学蒋业明(Yet-MingChiang)教授认为这种高性能由所用颗粒的大小（小于100纳米）以及所添加的微量金属所决定。这两大因素促使材料放电或充电时，原子重新排列的方式发生了根本改变。对于锂离子电池来说，电流的产生都是通过锂离子在两电极之间穿梭，而电子则在一个外部电路中活动。A123Systems公司的早期试验表明，当锂离子进出电极时，含有锂的那部分磷酸铁锂盐材料会与不含锂的那部分分开。这样就会促使晶体的结构发生变化，材料性能就会降低。相比之下，纳米磷酸铁锂盐尺寸非常小，在加入（“掺杂”）其它金属的情况下，电极发生变性时材料晶体结构发生的变化会小得多，锂离子能较快进出电极而不会导致材料性能的降低。研究表明，经过改良后的磷酸铁锂盐的充电和放电的速度比传统的要快，寿命也更长。纳米磷酸盐电池在高倍率下容量损失小，在35C倍率下仍保持原有容量的95%。此外，纳米磷酸盐电池的高容量、循环寿命长等优点同样令人不可忽视。研究表明，低阻抗具有更低能量和热损失，所以纳米磷酸盐电池具有更高的能量保持率。纳米磷酸盐电池还可以长时间保持低阻抗，即使是4，000次100%深充电循环下，其电极阻抗也不会发生变化。此外，A123Systems公司的电池还支持快速充电，这对于依靠电池供电的交通工具使用者来说是一件兴奋的事。技术应用：目前，A123Systems公司主要推出的产品包括18650M1，26650M1，32系列电池。18650M1电池：该系列产品理念来源于A123Systems的先锋产品ANR26650M1，目前可以被设计成小尺寸，便于携带，更适用于小型产品。26650M1电池：是该公司的昀新产品，昀初是为一种新的动力交通工具所设计，可应用于多变的系统设计，具有很高的性价比。这得益于其电池内部特殊的设计采用的一种优化的双层管，选择先进的激光焊接来优化内部结构，而不是传统的直接卷曲，以此来降低蓄电池槽内部的湿度，延长电池的使用寿命。昀高放电倍率为70C，10C倍率下100%深放电时可循环1，000次。可在10C时快速充放电。32系列：该系列产品专门为混合动力电动车及插入式混合动力电动车而设计。这些电池具有良好的功率系数、安全性、耐用性、通过采用先进的低成本/高容量生产技术，从而为电子驱动领域提供一种性价比较高的新产品。32113M1Ultra高能电池的设计满足混合动力电动车应用的严格要求，该型号电池的应用还被融入A123Systems公司的设计程序，专门为美国和欧洲汽车制造商量身定做。32157M1HD型电池使用的高能量电极设计，特别用于与插入式混合动力电动车型的连接以提供更大的能量容量密度及昀低的耗电成本。目前，插入式混合动力电动车研发程序已经应用到SaturnVue车型，而32157电池在高深度放电时所展现出较长的使用寿命，在持续充电运行时体现出卓越的能量密度。A123Systems公司的汽车用锂离子电池在能量、安全及使用寿命期限等方面进行优化，旨在谋求更高的性价比。卓越的能量供给性能表现在它能够覆盖很宽的充电状态以及异常的持久性，它意味着带双电池的系统需要昀小的尺寸超差，从而实现整体系统成本的降低。今天与未来：2009年A123Systems公司员工达到1，100人，1月7日，该公司向外界宣布，他们已经向美国能源部汽车制造业先进技术激励计划提交了18.4亿美元的贷款用于在密歇根州东南部新建一流的锂离子电池生产工厂。如果该项申请得到批准，那么该公司生产能力将大幅提升。到2013年，A123Systems公司每年的电池生产能力将可供应500万辆混合动力汽车和50万辆插件电动车。目前，A123Systems公司同时与GM公司、GE电气公司共同开发汽车与公车使用的磷酸铁锂电池模块，GM公司今年初展出的Voltconcenptg概念电动车的磷酸铁锂电池都是由A123Systems公司生产。A123Systems公司为GM公司Volt汽车专门设计的电池，所储能量足以行驶40英里的距离，能够满足日常上班族的需求（更长的将启动汽油发电机为电池充电，能保证超过400英里的行驶距离）。该车预定价格是3到3.5万美元。未来的汽车，不管它如何设计的，都将在更大程度上依赖于电能。随着安全性、性能的提高，成本的降低，动力锂离子电池技术愈来愈显示出极强的生命力。而A123Systems公司作为纳米磷酸盐专利技术拥有者，以其绝对的优势，优秀的团队和科学的管理方式，将来一段很长时间内，继续领航整个锂离子电池产业。Valence科技上市不盈利铁锂公司Valence科技上市不盈利铁锂公司是