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锂离子电池正极材料磷酸铁锂发展分析

2018-09-18 01:10:59 作者: 0人读过 | 我要赞

锂离子电池正极材料磷酸铁锂发展分析

国际能源10月29日讯:电动汽车行业发展可谓风起云涌,而车用动力电池作为其中的重要组成部分,已经引起学术界、投资界和产业界的高度关注。目前,已经在各种车辆上实现应用的电池种类主要有铅酸电池、镍氢电池与锂离子电池3种,由于铅酸电池污染大、克容量小,其成本优势不足以抵消其劣势,故在车辆动力方面至今仅在小型电动自行车等领域得以应用;镍氢电池现为混合动力汽车领域应用的主要产品,其制造工艺成熟,购置和使用成本较低,故而在短期内仍将是混合动力汽车的首选,但其自放电率高、比能量较小,记忆效应和充电发热等方面的问题直接影响到该电池的使用,这些缺点的存在使镍氢电池可能只是作为过渡产品存在;锂离子电池是90 年代发展起来的高容量可充电电池,能够比镍氢电池存储更多的能量,比能量大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应,能够满足对体积、寿命、功率等要求较高的乘用车方面的需求,已成为今后纯电动汽车应用的理想产品。

锂离子电池的正极材料种类较多,主要品种有钴酸锂、锰酸锂、镍锰钴三元材料及磷酸铁锂等,其中钴酸锂是现有正极材料中工业化程度最高、技术最成熟、产量最大的品种,主要用于、数码产品等小型电池领域,但由于原材料钴和镍金属的价格高昂,污染较重,且电池在大型化后,会有过热着火或爆炸的危险。故相对而言,正极材料为锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂的锂离子电池安全性能更好,成本更为低廉,所以目前产业的投入主要集中于这几种材料之上。其中,磷酸铁锂由于具有另外两种材料所不具备的循环寿命和材料成本方面的潜在优势,而被业界普遍看好,代表着动力电池正极材料的未来发展方向,三种正极材料性能比较见表1。

表1.三种正极材料性能比较

钴酸锂

磷酸铁锂

三元材料

振实密度/gcm-3

比表面积/m2g-1

初始克容量/mAhg-1

电压平台/v

循环寿命

原料成本

制造工艺

环保性

安全性能

适用领域

2.8~3.0

0.4~0.6

135~140

3.6

500次

成熟

含钴

有隐患

小型电池

0.7~1.4

12~20

150

3.2

2000次

不成熟、工艺难度高

动力电池

约2.1

约0.5

140~160

3.8~4.2

800次

一般

较成熟

一般

动力电池

国际上主要的磷酸铁锂电池材料生产厂商有加拿大Phostech、美国Valence、美国A123、台湾地区的台塑长园能源科技、立凯(Aleees)等,其中,前3家企业掌握着较为成熟的量产技术。2008年全球磷酸铁锂出货量为1500吨左右,其中美国A123公司供应750吨,几乎占了一半的份额,国内厂商供应量只有几百吨,2009年全球磷酸铁锂出货量约为1600吨,2010年全球磷酸铁锂出货量为1370吨左右。

另统计,目前国内磷酸铁锂正极材料厂商超过60家,实现批量生产的企业接近20家,呈现”诸侯混战”的局面。从公开资料统计来看,全国磷酸铁锂总产能约6400吨/年,但实际产量远低于产能(不足产能的1/10),国内主要磷酸铁锂生产企业及设计产能见表2。

表2.国内主要磷酸铁锂生产企业及设计产能,吨/年

企业名称

设计产能

实际情况

深圳贝特瑞新能源材料股份有限公司

天津斯特兰能源科技有限公司

北大先行科技产业有限公司

合肥国轩高科动力能源有限公司

湖南浩润科技有限公司

恒正科技(苏州)有限公司

临沂杰能新能源材料有限公司

深圳天骄科技开发有限公司

湖南瑞翔新材料股份有限公司

新乡华鑫能源材料股份有限公司

北京锂先锋科技发展有限公司

烟台卓能电池材料有限公司

新乡市创佳电源材料有限公司

西安铁虎能源新材料有限公司

800

500

500

500

500

500

400

350

300

240

200

200

200

200

实际批量生产,供货量10吨/月

14条生产线,产量14吨/月

实际产量约10吨/月

实际产量远低于产能

实际投产产能10吨/月左右

总体来说,我国磷酸铁锂的产业化发展与国际基本同步,目前国内部分产品的成本比国外同类产品要低,在性能、单位产能方面的差距并非遥不可及,但也该冷静的看到,国内目前尚未诞生真正的领军企业,行业缺乏原始创新技术,低端跟风模仿风气较盛,整体来看,磷酸铁锂材料行业处于产业化临界点之下。  未来随着磷酸铁锂生产技术的不断完善,其市场前景依然为产业界所看好,除电动汽车、自行车、代步车和电动工具市场外,磷酸铁锂电池在风电、太阳能发电储能装置,矿灯电源和植入性医疗器械领域也有着广泛的应用前景。通过静态测算可以得出结论,磷酸铁锂电池在未来5~7年内,若根据10%~20%的产品渗透率计算,国内仅仅在电动汽车、电动工具、电动自行车和电动代步车这4个领域就拥有大约150亿元的市场规模,其中磷酸铁锂材料本身占到电池成本的30%左右,对应约45亿元的市场规模,年需求量可望达到3万吨。

存在问题:

1.专利专利侵权问题。一场专利”缠讼”牵动着业内人士的敏感神经————橄榄石结构磷酸铁锂(LiFePO4)诞生于美国得州大学,得州大学于1997年对磷酸铁锂的晶体结构与化学分子式申请了专利,后将专利授予加拿大自来水公司Hydro-Quebec(H-Q)及其下属公司Phostech使用。2005年全球最大电动工具厂商Black Decker(BD)推出一款使用磷酸铁锂电池的无电线电动工具,在欧美热卖。2006年9月,得州大学及加拿大Phostech对BD及电池制造商A123公司提起诉讼,控告其未获授权制造与销售侵权商品。A123认为自己的正极材料有不同的晶体结构和化学分子式,不存在专利侵权问题,目前案件仍在审理,但性质已从大学和企业的专利纠纷转变为跨国专利诉讼。由于通用汽车的Volt电动车将采用A123提供的磷酸铁锂电池,若A123被判侵权,则意味着通用也构成侵权,因此从更大的范围来讲,判决结果将影响美国乃至全球电动车市场的发展格局。此后,又发生了多起相关专利诉讼事件,结果无一例外的是加拿大Phostech方面获得最终胜利。

目前,在磷酸铁锂电池和材料领域,有两大核心技术专利,其中一个是包敷碳技术,另一个是碳热还原技术,前者由加拿大Phostech公司拥有独家使用权,并且已经在我国申请专利,后者的专利权由美国A123公司所有,目前尚未在我国申请专利,但是美国A123公司现已在苏州成立了2家公司,分别负责磷酸铁锂材料的生产和电池制造,随着A123等公司抢占市场步伐的加快,专利问题已经很现实地摆在了国内厂家面前。

事实上,专利权之争短期内对我国国内销售并无影响,但从长期来看,其将成为行业发展的巨大隐患。目前国内大部分生产厂商只掌握磷酸铁锂技术和加工工艺,没有国际专利,无论得州大学与A123专利官司的哪一方获胜,国内磷酸铁锂企业今后或许都将会面对高昂的专利许可费用。2010年6月12日,中国政法大学知识产权研究中心受中国电池工业协会委托,已向国家专利复审委员会对Phostech公司持有的”磷酸铁锂电池”专利提出了无效请求,现已受理。虽然磷酸铁锂专利事件还会继续相当长的一段时间才能见分晓,但最重要的是,行业应从中吸取教训,把研发作为核心,加大投入,同时加快国内专利申请,并将关键技术向国外申请专利。

2.一致性难题须破解。国产磷酸铁锂正极材料存在不同程度的质量问题

锂离子电池正极材料磷酸铁锂发展分析

,其主要表现在质量一致性难以保证等方面。此前,国内部分大型锂离子电池制造商从磷酸铁锂材料平均粒径、电极加工性、电极压实密度、实际比容量、循环寿命、倍率放电、温度特性、安全性等方面对国内几个磷酸铁锂材料供应商和Valence等国外供应商所提供的材料进行了非常系统的试验评价,试验数据客观地表明:国内磷酸铁锂产品与Valence等国外供应商产品相比仍有不少差距,且同一供应商提供的产品质量批次一致性差异较大、重复性很差。

究其原因,首当其冲的是技术未吃透,磷酸铁锂对合成工艺条件的敏感性远远大于目前产业化的其他正极材料,即合成的工艺条件要做到严格一致才能确保批次的稳定性。国内企业在未吃透技术的条件下盲目生产,其产品自然存在”先天不足”现象;其次,科研成果转化存在衔接问题,从科研成果向中试过渡和从中试向批生产过渡过程期间,缺乏工艺技术系统工程设计的理念;此外,国内的材料厂商的生产过程管理精细度较低,缺乏包括工序、作业、采购、检验等环节在内的规范化、标准化技术和管理体系,也是造成产品一致性低的重要原因。

3. 投资刺激洗牌竞争。从现有情况来看,我国车用动力电池基本都处于研发、试验阶段,尚未实现大批量生产,短期内动力电池企业不太可能实现盈利,故而上游材料企业多按需生产,其规模也远未达到规模化生产的程度。然而,行业概念的炒作已经引燃了投资的热情,我国车用锂电池现实的有效产能不足成为了最佳”突破口”,此外,在地方经济利益的驱使下,政府大开绿灯,民间投资也似乎都是各取所需,大有”圈地”之嫌,动辄数亿的投资项目遍地开花,行业已经显示出产能过剩的端倪。有资料显示,截至2010年,我国动力锂电池产能20亿Ah,主要分布在珠三角、长三角、东三省和京津唐等汽车产业聚集区,在2015年前,动力锂电池及其上游材料产业投资仍将大步向前。预计在一系列投资刺激下,2015年我国动力锂电池产能将达到39亿Ah,而我国当年EV/PHEV乘用车和电动商用车产量预计为12万辆左右,需消耗锂电池约9亿Ah,这仅占动力锂电池产能的23%。多方投资的磷酸铁锂产业如其他新兴产业一样,在发展到一定阶段之后,洗牌在所难免,唯有注重技术积累、理性投资、精细化管理和市场运作的企业方能大浪淘沙始见金。

(:李艳娇)

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