锂电池行业分析
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锂电池行业分析
一、锂电池简介
锂离子电池(Lithium IonBattery,缩写为LIB),又称锂电池。锂
电池分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)2 类。其中,
液态锂离子电池是指Li+ 嵌入化合物为正、负极的二次电池。电池正极
采用锂化合物L i C o O 2 或LiMn2O4,负极采用锂- 碳层间化合物。锂
电池是迄今所有商业化使用
的二次化学电源中性能最为优秀的电池,这也是促进锂电池用于电动助
力车的一个关键因素。
(一)比能量高
无论是体积比能量,还是重量比能量,锂电池均比铅酸蓄电池高出
三倍以上。由此决定了锂电池体积更小、重量更轻,其市场消费感觉很
好。
(二)循环寿命长
锂电池用于电动助力车的循环寿命一般在800 次以上,采用磷酸铁
锂正极材料的锂电池可以达到2000 次左右,超出铅酸蓄电池1.5倍至5
倍以上。这大大降低了锂电池的使用成本,提高了消费者的使用便利程
度。
(三)具有较宽的充电功率范围
这是锂电池具有的独特优势。在需要时,可以使充电时间控制在20
~60min,充电效率达到85% 以上。在进一步技术创新的基础上,这一
特性得到更好的发挥,可以具有很好的商业价值。
(四)倍率放电性能好
锂电池的倍率放电可以达到10倍率以上,特殊制作可以达到30倍
率。这一特性非常有利于电动助力车的智能控制骑行技术的发展。只是
目前对这一特性尚未有很好的开发与利用。
我国锂离子电池产量全球第一,生产量占世界总量的1/3以上,100
多家锂电生产企业对锂离子电池材料需求殷切,不少厂商都计划在今后
2 年内把产量大幅提高。目前,中国锂电制造企业形成了液态锂电池以
比亚迪为首,聚合物锂电以TCL 电池为首的两大巨头。TCL电池完成了
聚合物锂离子电芯从技术研发到大规模生产的全过程,并且迅速走到了
这项技术的最前沿。TCL 生产的聚合物锂电芯在电池电化学阻抗、能量
密度、高低温放电等方面均已跻身世界一流行列,比亚迪是液态锂离子
电池的老大,而TCL 则是新一代聚合物锂离子电池的老大,聚合物锂电比液态锂电具有优势。
二、锂电池的原材料
锂离子电池由正负电极、电解质、聚合物隔离膜及保护电路芯片组
成,锂电池的上游有正极材料、负极材料、隔膜、电解液、锂资源等。
(一)正极材料
锂电池根据正极材料不同,可分为磷酸钴锂、磷酸锰锂、磷酸铁锂
三种。磷酸钴锂由于钴价高昂而被放弃;磷酸锰锂相较于磷酸铁锂,在
安全性和使用寿命方面不高;在可预见的将来,磷酸铁锂将成为锂电池
的主要正极材料。通用的Volt和比亚迪的F3DM 都采用磷酸铁锂电池。
随着锰酸锂和磷酸铁锂等极具发展前途的正极材料的技术进步,其在动
力电池领域也开始了扩张的
步伐。
贝特瑞公司是锂电池碳负极材料和磷酸铁锂正极材料的龙头。贝特
瑞在国内拥有40多项锂电池正负极材料专利,2008 年销售额1.8 个
亿,净利润3000万,预计2009年全部销售额4亿~5亿元,2010年8亿~
10 亿元,同比保持100% 历史增速。
(二)负极材料
开发和使用的锂离子电池负极材料主要有石墨、软碳
(softCarbon)、硬碳(Hard Caobon)等。在石墨中有天然石墨、人造石
墨、石墨碳纤维。在软碳中常见的有石油焦、针状焦、碳纤维、中间相
碳微球(Mesocarbon Microbends,缩写MCMB )等。硬碳是指高分子聚合
物的热解碳。常见的有树脂碳、有机聚合物热解碳、碳黑等。
目前除石墨材料外,其他各类材料都还存在一些尚未解决的难题,
目前还不能应用于LIB 的生产。例如无序炭尽管放电容量很大,但不可
逆容量也很大,而且电位滞后现象严重,即Li+ 嵌入的电位接近0V而
Li+ 脱出的电位接近1V,与无序炭类似。B-C-N 系化合物和C-Si-O 系
化合物的放电曲线为——“斜坡”,不象石墨材料那样在低电位处有一
个电位平台。过渡金属氧化物用作LIB 负极活性材料时的主要问题是不
可逆容量大和充、放电电位平台高。锂一过渡金属氮化物则由于其对空
气湿度的敏感,因此实际应用仍受到限制。至于锂合金材料则因在合金
化过程中体积膨胀率太大,致使电极材料在反复充、放电时粉化、导电
网络中断,因此循环性能很差。对这些问题还有待进一步的研究,以求
获得更新更好的负极材料。
(三)电解液
电解液是锂电池四大关键材料之一,号称锂电池的“血液”,是锂
电池获得高电压、高比能等优点的保证;作为锂离子电池必需的关键材料,锂离子电池电解液的发展取决于锂离子电池的发展。锂电池电解液
是由六氟磷酸锂(LiFL6)加上有机溶剂配成,六氟磷酸锂由五氯化磷
和溶解在无水氟化氢中的氟化锂反应结晶而成。其供货商主要在国外,
如德国Merck公司和日本Stella公司,且质量较好。我国是继日本之后
成为全球第二个产业化六氟磷酸锂的国家,国内有金光高科有限公司、
天津化工设计研究院、山东肥城市兴泰化工厂等企业能生产。2007
年,江苏国泰锂电池电解液的产量为2490t,已经达到世界第二的水
平。目前,华荣化工、日本宇部、韩国三星是全球锂电池电解液产能最
大的3家企业。江苏国泰的锂电池电解液业务已经占营业利润的30%,发
展成为公司利润新的增长点。而2009年公司新增产能投产后,华荣化工
锂电池电解液的产能将达到3000t/年。巨化股份拥有六氟磷酸锂全套生
产技术,并供应六氟磷酸锂上游原料无水氟化氢,巨化股份公司网站和
巨化股份在浙江衢州统筹的招商引资项目中都有六氟磷酸锂项目,锂离
子电池的兴旺将拉动上游电解液六氟磷酸锂的氟化工产业链,巨化股份
正迎来机遇。据估算每辆新型动力汽车需碳酸锂约为30kg,假设2009年
起全球新增1%的乘用车使用锂电池,此后逐年递增1%。按2007年全球产
销规模约5000万辆为基数, 依此推算,每年新增碳酸锂需求将达数万
吨。
目前全球碳酸锂供需基本平衡, 如因新型动力电池而出现需求的跳
跃式增长, 碳酸锂的供需平衡将被彻底打破,市场规模的急剧扩大,将
给现有碳酸锂生产企业带来革命性变化。
(四)隔离膜
隔离膜材料占锂离子电池成本的1/3 左右。锂离子电池隔离膜一般
采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)单层微孔膜, 以及由PP 和PE 复合的多层
微孔膜作为隔离膜, 以聚丙烯为例,其原料成本约8千元/吨,而将其加工
成隔膜后, 其价值可达到300 万元/ 吨, 大幅升值几百倍。
(五)电池保护IC
锂电池在使用过程中,过充电、过放电和过电流都会影响电池使用
寿命和性能,严重者会导致锂电池燃烧、爆炸,现已出现手机锂电池爆
炸致人伤亡的案例,经常出现IT和手机厂家召回锂电池产品的事件。所
以每块锂电池都要安装一块安全保护板,由一块专用IC和若干个外部元
件组成,通过保护环路有效监测并防止对电池产生损害,防止过充、过
放和短路造成的燃烧、爆炸等危险。由于每个锂离子电池中都要安装一
片电池保护IC,锂电池保护IC市场大得惊人,每年有几十亿美元的市
场,专业的微电子生产商士兰微集团是生产“锂电池保护电路芯片”的龙头企业,公司生产的锂电池保护用集成电路,可比日本理光的产品媲
美,而价格却低得多,市场潜力很大。
三、锂电池发展的障碍
锂离子电池循环寿命短,充电电路复杂,对电池内部保护电路的要
求很高等,尤其对全密封铝壳封装的锂离子电池来说,在其安全保护的
设计上存在一个极其致命的缺陷。
(一)资源紧缺
地壳中锂元素的比例约为0.0065%,其丰度在各种元素中居第27
位。海水中锂的总储量达2600亿t,但浓度太小,提炼困难。世界盐湖
锂资源主要分布在智利、阿根廷、中国及美国。花岗伟晶岩锂矿床主要
分布在澳大利亚、加拿大、芬兰、中国、津巴布韦、南非和刚果。印度
和法国也发现伟晶岩锂矿床,但是不具有商业开发价值,目前世界上只
有少数国家拥有可经济开发利用的锂资源。
中南大学化学电源与材料研究所所长唐有根表示,即便是锂的成本
和安全性的问题全部解决了,今后用锂电池替代汽油的话,也满足不了
全部需求,因为这相当于用一种紧缺的资源去替代另一种紧缺的资源。
(二)冶炼污染
锂离子电池中含有的六氟磷酸锂、聚丙二乙烯(醇)等化学物质会对
环境造成有机污染。其含有的钴等重金属元素,也会对环境会造成危
害,尤其是钴,含量相对较高,属于稀有贵重金属,具有很高的回收价
值。虽然锂电池本身的污染并不严重,但锂金属在提取冶炼过程中,对
环境的污染不亚于汽油产生的污染。金属锂的工业生产方法主要有熔盐
电解法和真空热还原法。熔盐电解法系采用氯化锂为原料,在熔融电解
槽内电解时分解为金属锂和氯气,在阴极析出锂,在阳极析出氯气。电
解进行时,氯化锂离解为锂离子,向阴极移动并放电,形成的金属锂通
过熔盐逐渐上升到电解槽表面或到锂收集室。在阳极析出的氯气通过熔
盐上升至出口排出或收集。该法的最大缺点是电解时产生氯气污染严
重,且产品质量不易控制,生产成本高。
(三)安全问题
专家认为,市场上多半使用的高容量锂电池由于化学成分的不同,
在发生质量问题时,容易出现爆炸伤人事故。而相对安全的是镍氢和镍
镉电池。锂元素过于活跃,它使用时不太安全,经常会在充电时出现燃
烧、爆裂的情况,后来经过改进型的锂离子电池,加入了能抑制锂元素
活跃的成分,从而使锂电提高安全标准和高效。在锂电池发展过程中,
因为采用的正负极材料及其配方不同,出现过爆炸、燃烧等不安全现
象。主要是负极采用金属锂,经循环后产生枝晶,致使短路,出现燃烧爆炸;而正极材料采用钴酸锂或镍钴锂等,其化学活泼性较高,在石墨
负极的配合下,一旦出现高温,容易发生爆炸燃烧。尽管实际发生的概
率在十万分之一或百万分之一以上,但由于以手机及笔记本电脑等为主
的电子消费品数量极大,使用范围极广,因此累计发生的安全事故绝对
数量使人们感觉很多。由于这些电子消费品是人们日常生活相伴,不可
或缺的用品,一旦发生安全问题,影响很大,致使人们“谈锂电池色
变”。这种在电子数码产品中使用的锂电池的安全问题形成一种成见,
开始影响电动助力车用锂电池。锂离子电池的安全设计过分依赖其内部
电子安全保护芯片,而没有设置必要的物理安全保护措施。在充电以及
使用的过程中,一旦出现其安全保护芯片失效的故障,后果是不堪设想
的,轻则出现电池内部气体积聚引起电池体涨鼓现象,重则可能因为发
生电池内部短路等等异常而导致电池爆炸的悲剧发生。
(四)成本问题
相对于铅酸蓄电池,锂电池用于电动助力车的成本较高是一个突出
的特点,也是影响锂电池大规模替代铅酸蓄电池用于电动助力车的关
键。锂电池的正极材料、负极材料、集流体、隔膜、电解质等主材价格
比铅酸蓄电池高出很多,其组装辅材和外部电路系统成本则是铅酸蓄电
池几乎没有的。虽然锂电池由于能量远高于铅酸蓄电池,因此单位功率
的原辅材料成本并没有表现出来的成本差距那么大,但是二者的材料成
本差距确实存在,而且差距以倍数计。由于制作工艺的原因,锂电池的
人工成本比较高。在制造成本中,锂电池的人工成本占40% 以上,而铅
酸蓄电池的人工成本一般为10%~20%。锂电池在生产中大部分过程是不
可逆的,而铅酸蓄电池是可逆修复的,因此锂电池的总体合格率较低。
铅酸蓄电池使用之后的回收价值在40% 以上,而锂电池的回收价值几乎
是零。
四、锂电池的市场前景
目前动力电池主要是镍氢电池和锂电池2种形式,混合动力电池目
前多采用镍氢材料,但由于镍氢电池的一些技术性能已经接近理论极限
值,因此并不被认为是未来的发展方向。相对而言,锂离子电池由于工