鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:8121次 | 2018年05月12日
詳解鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵核心材料
從鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈來看,主要包括鋰原材料、正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜以及生產(chǎn)設(shè)備等。其中,正極材料在鋰電池中質(zhì)量比較大(正、負(fù)極材料的質(zhì)量比例為3:1~4:1),且在鋰電池生產(chǎn)成本構(gòu)成中占比較高,一般為25%~30%。
圖1:鋰電池成本比例構(gòu)成
因此,正極材料是鋰離子電池中最為關(guān)鍵的原材料,直接決定了電池的安全性能和電池能否大型化。
鋰離子電池用正極材料主要為含鋰的一些化合物,如鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、多元金屬?gòu)?fù)合氧化物(即三元材料NCM、NCM等)和磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)等。
鈷酸鋰
鈷酸鋰自從鋰離子電池商業(yè)化以來,一直作為正極材料的主流被應(yīng)用,其主要技術(shù)發(fā)展發(fā)生在2000年前后的高密度化合成工藝,通過提高燒結(jié)溫度和增加燒結(jié)次數(shù),合成出十幾微米以上的單晶一次晶粒,將鈷酸鋰電極的壓實(shí)密度提高到4.0g/m3以上。由于鈷酸鋰在在更高電壓下存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)性,因此其工作電壓較低,進(jìn)而導(dǎo)致鈷酸鋰主要運(yùn)用在小電池,如手機(jī)、電腦電池等。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
錳酸鋰
錳酸鋰作為鋰離子電池正極材料的集中研發(fā)是在20世紀(jì)90年代初日本索尼公司推出商品化的鋰離子電池后,但其在高溫下與電解液相容性差,致使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,導(dǎo)致容量衰減過快,因此高溫循環(huán)差的缺點(diǎn)一直限制著該材料在實(shí)際鋰離子電池中的使用。90年代中后期,眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)采用元素?fù)诫s可有效地改善錳酸鋰的高溫循環(huán),尤其鋁(Al)的摻雜對(duì)錳酸鋰高溫電化學(xué)性能的改善最為有效,由此也推動(dòng)了錳酸鋰產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。目前已有少量企業(yè)國(guó)內(nèi)可以制備出可供鋰離子動(dòng)力電池使用的具有良好高溫循環(huán)與儲(chǔ)存性能的摻雜型錳酸鋰材料,并應(yīng)用到動(dòng)力型鋰電池上。
磷酸鐵鋰
磷酸鐵鋰在20世紀(jì)90年代,由于被認(rèn)為是電子絕緣體以及脫嵌鋰過程中的兩相反應(yīng)導(dǎo)致鋰離子擴(kuò)散速度等原因而沒有受到重視,但從21世紀(jì)初,部分學(xué)者利用碳包覆技術(shù)改善了它的電化學(xué)性能后,該材料成為鋰離子電池正極材料研發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。磷酸鐵鋰具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性高、常溫循環(huán)性能優(yōu)異等特點(diǎn),并且存在鐵(Fe)和磷(P)的資源豐富、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),是最近幾年國(guó)內(nèi)普遍選擇磷酸鐵鋰作為鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展方向。
三元材料
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
受錳酸鋰等單質(zhì)材料摻雜技術(shù)的啟發(fā),多元金屬?gòu)?fù)合氧化物(即三元材料NCM、NCM等)的研發(fā)、應(yīng)用及生產(chǎn)推廣開始很快興起,由于三元材料綜合了鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優(yōu)點(diǎn),形成了LiCoO2/LiNiO2/LiMnO2三相的共熔體系,故存在明顯的三元協(xié)同效應(yīng),使其綜合性能優(yōu)于單組合化合物,因此,近兩年來成為國(guó)內(nèi)鋰電池正極材料的研究重點(diǎn),并隨著生產(chǎn)技術(shù)工藝的進(jìn)步,開始大量推向市場(chǎng),并在動(dòng)力型鋰電池市場(chǎng)占據(jù)了重要的位臵,也在消費(fèi)型鋰電池市場(chǎng)開始慢慢取代鈷酸鋰。
從近兩年國(guó)內(nèi)鋰電池正極材料市場(chǎng)發(fā)展路線來看,雖然鈷酸鋰的合成技術(shù)已經(jīng)比較成熟,但由于鈷資源比較貧乏,價(jià)格昂貴,并且鈷酸鋰在充電狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性差,因此目前只能適用于消費(fèi)類的小型鋰離子電池。而后續(xù)隨著動(dòng)力型鋰電池的興起,開發(fā)者不斷研發(fā)出了磷酸鐵鋰、錳酸鋰以及三元材料等新型正極材料。隨著其他類正極材料性能的完善,且由于鈷酸鋰自身價(jià)格較貴、有毒等缺點(diǎn),目前正逐步被其他類型正極材料所取代。
近兩年來,受下游新能源汽車產(chǎn)量的快速增長(zhǎng),以及3C電子產(chǎn)品出貨量的穩(wěn)定增長(zhǎng),我國(guó)正極材料的產(chǎn)量及產(chǎn)值呈現(xiàn)出了快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。2016年,我國(guó)鋰電池正極材料產(chǎn)量為16.16萬噸,同比增長(zhǎng)43.14%;2010年至2016年,我國(guó)鋰電
池正極材料產(chǎn)量從2.5萬噸增長(zhǎng)到16.16萬噸,年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)36.48%。而行業(yè)產(chǎn)值則從2010年的57億元增長(zhǎng)到2016年的208億元,年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)24.08%。
圖2:我國(guó)鋰離子電池正極材料產(chǎn)量及增速
圖3:我國(guó)鋰離子電池正極材料產(chǎn)值及增速