锂离子电池的发展前景

来源:中国电池网      2007/4/6   浏览4974次   

一、锂离子蓄电池有许多突出的优点

锂离子电池是近几年出现的金属锂蓄电池的替代产品。锂离子电池的负极为石墨晶体,正极通常为含锂的过渡金属氧化物。充电时,正极中锂原子电离成锂离子和电子,并且锂离子向负极运动与电子合成锂原子;放电时,锂原子从负极石墨晶体内表面电离成锂离子和电子,并在正极处合成锂原子。锂离子蓄电池重量轻,储能大,功率大,无污染,寿命长,自放电系数小,温度适应范围宽泛等许多突出的优点。

二、发展锂离子蓄电池技术,必须解决安全性问题

锂离子动力电池的关键材料有如下四个方面:正极材料,负极材料,电解质材料和隔离膜。其中除隔离膜和电解质中的锂盐目前仍依赖国外进口外,其它关键材料,均己国产化。在单位重量和单位体积储能,充放电性能,适用温度范围,充放电次数等性能,均已达到国际指标。当前存在的问题是电池的一致性和安全问题。

对于电动自行车来说,用锰酸锂做正极材料的锂离子蓄电池,已能足够保证其行驶的安全。如果再注意到国际市场上的锰的价格比钴的价格要低廉的很多。所以,在锂离子蓄电池的推广和应用上,其安全性能的改善,反而可能使制造成本有所降低!

三、我国在“安全性”锂离子蓄电池技术方面已获得可以付诸实际应用的进展

当前,我国苏州星恒公司研发的10Ah高能量型和7.5Ah高功率型锰酸锂离子动力电池已通过美国UL安全测试,成为中国本土第一个通过UL认证的锂离子动力电池,为该类电池进入国际市场铺平了道路。所谓UL安全测试包括下以6项内容:倍率放电测式,过充电测试,短路测试,热冲击测试,重物冲击测试和钉扎测试。

我国还发展了一种具有自主知识产权的三氧化二铝表面修饰技术,应用于改性尖晶石锰酸锂材料,已生产出可逆容量达到107mAh/克的工业化产品。用这种正极材料制造的动力型锂离子电池可以用30C的高倍率放电(即2分钟放完),循环寿命可达1000次。这些指标均达到国际同类产品水平,是国内第一个可用于高功率锂离子电池的材料,保障了电动汽车重大专项中高功率锂离子电池项目的顺利推进。

基于上述一些成就,可以认为,我国已能自主开发出用量在50~80公斤以下,可适用于电动自行车,电动摩托车(包括高速电动摩托车),电油混合动力车,油电混合动力电动车,行驶距离在80公里以内的小型、轻型供上下班使用的家用电动小轿车的锂离子蓄电池,并有足够好的安全行驶性能。

从上述国际、国内锂离子蓄电池发展动向来看,可以认为这一技术难题的完全解决已为期不远。我国在锂离子电池方面的研究水平,已有多数指标超过了USABC提出的2010年长期指标所规定的目标。我们将不难预期,全部难题将在3~5年内均得到彻底解决。问题是如何走向产业化,并在此基础上,进一步独立自主地开发出适合我国国情的,满足国际市场需求的各种形式的电动车。四、一个极有希望的前景:使用安全性能更好的磷酸铁锂做为正极材料。正交橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料具有一系列优点:不含贵重元素,原料廉价,资源极大丰富;工作电压适中(3.4V);平台特性好,电压极平稳(可与稳压电源媲美);理论容量大(170mAh/g);结构稳定,安全性能极佳(O与P以强共价键牢固结合,使材料很难析氧分解);高温性能和热稳定性明显优于已知的其它正极材料;循环性能好;充电时体积缩小,与碳负极材料配合时的体积效应好;与大多数电解液系统相容性好,储存性能好;无毒,为真正在绿色材料。

磷酸铁锂却存在一个关键技术问题——电导率很低,不导电的材料如何能做正极材料?我国科技工作者进行理论计算预测和探索合成方法相结合。通过第一性原理计算,发现可以通过掺杂形成氧的空位,而提高导电性,从而为材料合成指明了方向。我国已制备出可逆容量达160mAh/克的氧空位磷酸铁锂材料,充放电循环500次后的容量未见衰减,特别是具备高倍率(10C)充放电能力。

四、在锂离子蓄电池的负极材料的研发上,我国也有重要进展。据研究者黄学杰教授介绍:“目前应用于商品锂离子电池的石墨负极材料可逆容量均在300-340mAh/克。对此,我们开发出纳米孔硬碳球、元宵结构复合负极材料,目前复合负极材料的可逆容量已经达到600mAh/克。同时研制出石墨化纳米纤维导电添加剂,可以提高高功率电池的功率密度。

纯电动车的使用者有一个极为关注的问题:锂离子蓄电池能否快速充电?据2005年3月23日《参考消息》报导:已有“纳米电池问世”。“内华达州一家公司研制出一种前景看好的充电电池,它只需6分钟就能充满电,每次充电后的使用时间能达到目前充电电池的10倍,使电池充电次数量高达到2万次,所提供的电流强度最大能到现在的3倍。”其实,这一发展动向早已引起我国科技工作者的注意,已在类似方向从事有关工作,并已得到某些初步结果。

五、一个有待解决的难点:

当前存在的最大难点是,锂离子蓄电池所用隔离膜,未能有实质性的突破。我国生产锂离子电池的各厂家,均依赖于国外进口,其售价甚而占了生产成本的20%以上!其实,锂离子电池所用隔离膜并不是什么贵重材料,只是我国迄今在规模化生产方面的技术仍未过关!如果这一技术难点得以解决,我国锂离子蓄电池的生产成本,还能大幅度下降。

锂离子电池所用隔离膜为多孔膜,锂离子从微孔中通过;而燃料电池所用隔离膜为致密膜,质子从聚合物的结构中通过。所以,锂离子电池所用隔离膜,将比氢燃料电池所用隔离膜容易解决。

最近我接到中科院大连化物所研究员,化学学部沙国河院士一封来信:“是否可以建议科学部、发改委等对有关厂家,……给予资金和政策上的支持,在几年内建立一条以锰酸锂为基础的,主要为电动自行车用的锂动力电池生产线,……并在电动自行车市场上占有一定份额。若能达到这样,我认为将是一个重大突破,在巨大市场力的推动下,锂动力蓄电池的技术和产业化必将获得更快发展”。

(编辑:中国电动车网)


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