清华大学-简析新能源锂离子电池技术研究及产业

新能源锂离子电池技术研究及产业发展现状简析沈洋博士清华大学材料科学与工程系新能源二次锂离子电池宏观经济政策背景2010年《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》节能环保产业新一代信息技术产业生物产业高端装备制造业新能源产业新能源汽车产业新材料产业宏观经济政策背景2011年工信部《新材料产业“十二五”发展规划》高强轻型合金材料高性能钢铁材料稀土功能材料功能膜材料新型动力电池材料碳纤维复合材料新能源二次锂离子电池提纲•锂离子电池的应用•锂离子电池的原理•锂离子电池材料的研究现状和技术发展方向•国内锂离子电池产业的现状（以新能源汽车为例）锂离子电池具有广泛的应用高电压高功率密度宽温区长寿命高能量密度消费类电子产品车用劢力电池大规模储能电站（新能源汽车产业）（新能源产业）什么是锂离子电池？锂离子电池材料的四要素：正极负极隔膜电解液正极材料的研究现状所占成本正极隔膜其它正极材料占据最重要的地位，附加值最大，决定了最终锂电池产品的性能指标。目前获得大规模商业化应用的主流正极材料钴酸锂(LiCoO2)优点•容量大•循环性能好•工艺成熟稳定缺点•安全性差•性能提升潜力有限•钴资源稀缺（属于我国严重短缺的九种矿物之一）正极材料的发展趋势钴酸锂(LiCoO2)动力电池锰酸锂(LiMn2O4)磷酸铁锂（LiFePO4)通讯、消费类电子产品电池镍钴酸锂（LiNixCo1-xO2)镍钴锰酸锂锰酸锂(LiMn2O4)优点•价格便宜•安全性好缺点•比容量低•循环性能，特别是高温循环性能差磷酸铁锂（LiFePO4)优点•价格便宜•安全性好•循环性能好缺点•体积比容量低•低温放电性能差•电导率低（高内阻）镍钴酸锂（LiNixCo1-xO2)优点•价格相对便宜•容量较高缺点•合成困难•充放电效率低•和电解液相容性差镍钴锰酸锂优点•容量高•安全性好、成本低•循环性能优异缺点•合成条件苛刻、结构不稳定•密度低•充电电压高在消费类电子产品电池领域，钴酸锂在未来3-5年内会逐步失去主导地位，5年之后镍钴锰三元材料体系将成为主流。在动力电池领域，磷酸铁锂和锰酸锂之争仍未有定论，磷酸铁锂能否胜出还取决于相关研究能否出现重大突破。磷酸铁锂v.s.锰酸锂已经装备或计划装备在主要EV上的锂离子充电电池以锰酸锂为主国外主要汽车厂家选择了目前较为成熟的锰酸锂材料作为动力电池的正极，主要是基于成本的考虑。磷酸铁锂生产的一致性问题以及高倍率充放电问题都亟待解决。数据来源于网络负极材料的研究现状目前所采用的负极材料具有数倍于正极材料的容量，不是限制电池性能提高的瓶颈。目前获得大规模商业化应用的主流负极材料主要是石墨、乙炔黑、微珠碳和裂解碳等碳材料。困扰负极材料的主要问题是其容量随循环次数增加衰减较快。解决方法是制备结构规整的层状材料。其它新型负极材料：目前均仅具有科学研究价值碳纳米管硅纳米线阵列：理论容量高达~1000mAhSnO/SnO2：循环性能优异负极材料的产业现状•我国丰富的天然石墨资源为负极材料产业发展提供了充分的资源保障。•负极材料产业化已经比较成熟，深圳贝瑞特、杉杉股份、长沙海容为国内最大的三家生产企业。•深圳贝特瑞公司具有年产6000吨人造石墨负极材料的生产能力，市场占有率达80%以上，产品出口多国。•内蒙古自治区兴和县为全国三大天然石墨产地之一，内蒙古瑞盛矿业股份有限公司联合清华大学技术力量生产石墨负极材料。隔膜材料的研究现状•隔膜成本占据锂电池成本的1/3•目前使用的隔膜主要以单层聚乙烯（PE）、单层聚丙烯（PP）以及三层PP/PE/PP结构的薄膜为主常规PP隔膜•消费类电子产品要求膜厚16-25微米•动力电池要求隔膜厚度40微米新型复合隔膜•优异的安全性•特别适用于动力电池隔膜材料的产业现状•我国隔膜市场80%以上被进口产品占据，国产隔膜主要供给中低端市场。•干法单向拉伸工艺经几十年发展已经非常成熟，国内企业受专利壁垒限制在这方面进展缓慢。•采用湿法双向拉伸工艺制备的隔膜孔径均匀，强度高，但主要专利也由美日企业控制，已形成专利技术壁垒。•我国有企业采用干法双向拉伸工艺制备隔膜，具有自主知识产权。截止2009年国内有两家企业采用该工艺生产隔膜，市场反应积极。电解液的研究现状液态电解液（正极负极全部泡在液态电解液中）•电解液成本占据锂电池成本的12%，毛利率40%左右。•消费类电子产品用电池主要采用碳酸乙烯酯(EC)或碳酸丙烯酯(PC)二元液体电解液。•碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)显著提高了电池容量和寿命•多元电解液也已经投入商业应用电解液的发展方向：全固态电解液起火、爆炸是锂离子电池最大的安全隐患全固态电解质是发展的方向丰田公司投入巨资进行全固态离子电解质的研究，国内企业尚未开展相关研究工作。电解液的产业现状•我国电解液生产以实现产业化，并基本国产化。•杉杉股份、华荣化工等10余家企业的年产量都在千吨以上。•电解液的主要原料六氟磷酸锂(LiPF6)占据电解液生产成本的50%以上，其毛利率高达75%。目前市场被多家日本企业垄断，我国仍依赖进口。•电解液市场的下一轮增长有待于动力电池(主要是电动汽车用动力电池)的大规模应用。小结锂离子电池在动力电池产业的应用我国目前电动助力车电池市场中，90%的份额为铅酸蓄电池所占据，主要是由于铅酸蓄电池成本很低。但是其笨重、高污染等缺点为锂离子电池提供了潜在的市场机遇。锂离子电池在动力电池产业的应用最成功的混合动力车型：丰田Prius。自1997年问世以来已累计销售超过180万辆。仅功率密度有提高，能量密度、重量无明显改善车用锂离子电池的价值链分析电池材料生产单体电池组装电池组生产动力模块生产动力模块集成使用维护再生利用电动汽车动力部件（powertrain）成本分析成本(%)电池组发电机动力控制单元逆变器数据来源Frost&Sullivan2009电池组的成本分析成本(%)电池材料外购部件直接、间接人工折旧研发废品固定利润电池材料成本仅占整个电池组成本的12%数据来源BostonConsultingGroup2010锂离子电池在电动汽车领域的应用前景展望（个人观点）•从丰田Prius14年来的历程分析，电池技术、电池成本并不构成电动汽车发展的绝对限制性因素。•虽然动力电池模块成本占据动力单元总成本的绝大部分，但是电池材料成本在整个动力电池模块中并不占主导地位。•新电池材料体系(磷酸铁锂、新型负极材料等)尚需时日才能在动力电池领域占据一席之地。•电动汽车技术路线受政策环境影响较大。近期国家电网和南方电网分别表示未来电动汽车以“换电”为主要充电形式。这将对电池技术的研发、生产产生深远影响。谢谢