【文章內(nèi)容簡介】 iFePO4等，電解質(zhì) 是鋰鹽的有機溶液或聚合物。充電時，正極中的鋰離子脫離 LiCoO2 、 LiFePO4或 LiMn2O4晶格，經(jīng)過電解質(zhì)輸運嵌入電池的碳材料負極，放電時則相反。與其他蓄電池比較，鋰離子蓄電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點，已成為手機、筆記本電腦等移動電子設(shè)備的基本配備電源。相比于鎳氫電池，混合電動 汽車采用鋰離子電池可使得電池組的重量下降 4050%，體積減少 2030%，能源效率也有一定程度的提高。此外，在很長的一段時期內(nèi)，鋰離子電池的成本還可能會大幅度降低，到最后，在混合動力車中它的成本與鎳氫電池相比就相對較低，預(yù)期會得到廣泛應(yīng)用。圖 1 顯示的是對混合電動汽車領(lǐng)域，鋰離子電池和鎳新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 26 氫電池在未來幾年內(nèi)，隨著銷量的增加的一個成本預(yù)測。由于鎳氫電池使用大量的有色金屬，而且其生產(chǎn)制造工藝基本定型，其成本下降的空間很小。而鋰離子電池，可以完全不使用較貴金屬，如正極采用錳酸鋰和磷酸鐵鋰的電池，其原材料成本下降空間 非常大，而且隨著其制造工藝的進一步成熟，制造成本也有大幅度下降的可能。預(yù)計在不久的將來，車用鋰離子電池的成本將下降到鎳氫電池的三分之二。 圖 鋰離子電池成本預(yù)測 1 目前鋰離子電池行業(yè)正在和即將發(fā)生結(jié)構(gòu)上的重大調(diào)整，汽車工業(yè)要求鋰離子動力電池的壽命比小型電池長兩倍以上，成本降 50％，單體容量增加 10 倍以上，生產(chǎn)規(guī)模增加幾十甚至上千倍。動力電池的產(chǎn)業(yè)化正伴隨著材料、工藝和裝備的重大革新開始起飛，傳統(tǒng)的鈷基氧化物正極材料正在為成本更低和安全性好的錳基氧化物和磷酸鹽材料取代，用于小型電池的電極制備工藝也將會逐漸地被高效、低能耗和污染小的新工藝所取代，大型動力電池的散熱和高功率輸入 /出要求使電芯結(jié)構(gòu)從卷繞式圓柱走向疊片式方型，相應(yīng)的材料制備技術(shù)、電池制造技術(shù)、工藝和裝備不斷地創(chuàng)新和深入發(fā)展。大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)發(fā)展對資源和環(huán)境也造成了挑戰(zhàn)，發(fā)展鋰離子電池回收處理技術(shù)以實現(xiàn)材料的循環(huán)使用也已成為 一個緊迫的任務(wù)。 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 27 二、混合電動汽車用鋰離子動力電池的電性能 理想的混合電動汽車電源對比功率和比能量這兩項核心指標(biāo)都要求達到很高的水平，且能在寬廣的工作溫度范圍內(nèi)工作，壽命更要求與汽車的使用壽命相當(dāng)，從表 1即可看出 HEV 轎車要求其電池組具有很高的比功率、高比能量和超長壽命。如電池組重量小于 40Kg，電芯總重量應(yīng)小于 30Kg，壽命中止時比功率應(yīng)達 1700W/Kg，比能量應(yīng)達 70W/Kg，考慮到功率和容量衰減的因素和寬廣的工作溫度范圍，要求生產(chǎn)出的電池具有更高的比功率和比能量。目前國內(nèi)的高功率鋰離子電池已具有 80Wh/Kg的比能量和高于 20xxW/Kg的比功率，國外已有 3000W/Kg高功率鋰離子電池用于電動車輛的報道。 公開資料顯示 SAFT America、 Yardney等正在研制比功率高達 10000W/Kg 的鋰離子電池。 車用鋰離子電池的壽命要同事考慮里程壽命和周期壽命，里程壽命測試方法是按照車輛模擬工況做循環(huán)壽命測試，依據(jù)被測電池組性能達到設(shè)定的中止條件時的循環(huán)次數(shù)推測電池組的里程壽命。周期壽命主要考慮電池擱置狀態(tài)下性能會發(fā)生自然衰減，與電池溫度有密切的關(guān)系，一般通過室溫和高溫擱置的對比測試來預(yù)測電池組的周期壽命，汽車工業(yè)要求電池具有 15 年的周期壽命目前對我們?nèi)匀皇且粋€很大的挑戰(zhàn)。表 1 顯示的是理想的 HEV 轎車對電池組的主要的電性能的要求。 從表 1中我們可以看出，對于 HEV 轎車來說，大電流充放電，長壽命和寬工作溫度范圍是混合汽車用高功率電池的最重要指標(biāo)。 表 1. 理想的 HEV 轎車電池組主要電性能要求 功率 10秒放電最大電流 （ 25 度） 50KW 10秒充電最大電流 （ 25 度） 50KW 能量 能量輸出（ 25度） 2 KW 總能量輸出（壽命終止） 12M Wh 壽命 里程壽命 200,000 公里 周期壽命 15 年 溫度 工作溫度 25 ～ +55176。 C 存儲溫度 40 ～ +80176。 C 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 28 蘇州星恒電源有限公司借助國家汽車重大專項的支持，依托中科院物理所的基礎(chǔ)研究支持，經(jīng)過幾年的努力，其生產(chǎn)的車用鋰離子蓄電池的電性能基本達到了混合電動車用高功率電池的要求。圖 2 顯示的是 8Ah 混合電動車用高功率電池的 20C 倍率放電曲線。從圖中可以看出，在 50％ SOC 下 20C 放電，其放電深度可以超過 75％。 圖 高功率 8Ah 電芯 50％ SOC 下 20C 放電性能（ 75%DOD） 作為家用的汽車，在冬天使用時，外界氣溫降低于 0度，低溫大電流啟動也是一項車用電池的基本性能要求。圖 3顯示的是高功率 8Ah 鋰離子電池的低溫倍率特性。在－ 10 度的環(huán)境中保存 24 小時以上的電池，在 5C 放電倍率下，仍能夠放出超過 3Ah 的電能。 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 29 圖 高功率 8Ah 電芯低溫倍率特性 圖 4 顯示的是在極低溫情況下的電池的放電特性。 圖 極低溫放電性能 對于高功率電池而言，其倍率特性是其一個基本的性能要求，但由于鋰離子電池體系的特殊性，存在隨著時間和使用次數(shù)的增加，電池的內(nèi)阻等會有所增加。那么如何保證即使在壽命終止時，電池的倍率特性仍能滿足車用的要求，也就成了一個關(guān)鍵因素。下圖顯示的是高溫 55 度條件下電芯內(nèi)阻隨著擱置時間的變化情況，可以看出高功率電芯隨著高溫擱置時間其內(nèi)阻增加量很少。 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 30 圖 高溫擱置后電芯內(nèi)阻增加 三、車用鋰離子電池的安全性 鋰離子電池的安全性事故是指鋰離子電池使用過程中發(fā)生爆炸和起火事故，在充電過程中、充電后使用過程中和交通事故引起電池組機械性損壞時均有可能發(fā)生。影響鋰離子電池安全性的主要因素有電池的電極材料、電解液以及制造工藝和使用條件等 。電池濫用時 ,內(nèi)部發(fā)生的不可控化學(xué)反應(yīng)與放出的熱量直接相關(guān)，鋰離子電池電解液的有機成分為碳酸酯，閃點低，沸點也較低，正極為強氧化性化合物，負極為強還原性化合物，當(dāng)電池中熱量的產(chǎn)生速度大于散熱速度時 , 就會造成電池內(nèi)部壓力過大引起爆炸，或外殼破裂后與空氣接觸，因溫度高和鋰負極的高活潑性引燃起火。 一般來說，安全性是和鋰離子電池儲存的總能量成反比的，電動自行車所用鋰離子電池組的重量為 3~4 公斤，比手機大了 100 多倍。電動摩托車用重量 15~20公斤的鋰離子蓄電池，混合電動汽車所用電池組重量在 30－ 100 公斤，純電 動小轎車將用到 300~400 公斤的蓄電池，至于電動大巴或電動大貨車的電池用量將是1500~20xx 公斤，更是“手機”的 75000~100000 倍。隨著電池容量的增加，電池體積也在增加，其散熱性能變差，出安全事故的可能性大幅度增加。因此，將鋰離子蓄電池做成動力電池，就必須提高其安全性能，單體電池愈大，要求達到新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 31 的安全性指標(biāo)也就愈高。如沿用手機電池常用的鈷酸鋰和石墨作為鋰離子動力電池的正負極材料，電池大型化后的安全性將無法得到保障。 國內(nèi)剛開始開展鋰離子電池電動車研發(fā)時，曾出現(xiàn)若干爆炸和燃燒事故，一個主要的原因是 使用通常手機電池采用的鈷酸鋰做為電池的正極材料。鈷酸鋰材料的理論比能量超過 270mAh/g，但為保證其循環(huán)性，實際使用比容量只有理論容量的一半，即 140mAh/g 左右。在使用過程中發(fā)生某些意外的情況下，比如管理系統(tǒng)損壞而導(dǎo)致電池充電電壓過高，正極中剩余的一部分鋰就會脫出經(jīng)電解液到負極表面以金屬鋰的形式沉積，而金屬鋰的表面電沉積極易形成“枝晶”，從而刺穿隔膜，將正負極短路，引起起火爆炸等安全事故。另外，金屬鋰非常活潑，熔點也低，在電池溫度局部過高或者殼體破損接觸空氣的情況下易于著火。當(dāng)時尋找替代鈷酸鋰的正極材 料以解決安全問題是動力型鋰離子電池研發(fā)人員最優(yōu)先考慮的問題。我國高功率鋰離子電池安全問題在“十五”期間，得到了較好的解決。采用改性錳酸鋰材料降低了正極的氧化性，活性鋰的含量也比鈷酸鋰的低。但有關(guān)負極、電解液和制造、使用等方面的問題仍需注意，錳酸鋰單體電池容量可以大到什么程度也還有爭論，日本批量生產(chǎn)的錳酸鋰電池單體容量不大，如公開報道的用于東京電力 3000 輛車的電池為 216 只 13Ah 的錳酸鋰電池。 采用可耐更高溫度的新型隔膜和加阻燃劑的電解液也是提高鋰離子電池安全性的技術(shù)手段。 下圖顯示的是蘇州星恒用于燃料電池混合電動轎車的高功率 8Ah 錳酸鋰電池經(jīng)過各種安全試驗后的部分實物照片。 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 32 圖 6 短路試驗 圖 7 擠壓試驗 圖 8 針刺試驗 圖 9 高溫爐熱試驗 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 33 圖 10 金屬塊體擠壓 應(yīng)該說，在國家 863 重大項目的支持下，在包括物理所同事在內(nèi)的廣大兄弟單位的幫助支持下，蘇州星恒經(jīng)過多年的努力，針對使用錳酸鋰作為正極材料的 8Ah高功率電芯的安全性方面取得了不錯的成績。 四、鋰離子電池的設(shè)計與制造 按電池外形分，車用鋰離子電池芯可以分為圓 柱和方形 (包括軟包裝型 )兩種類型，圓柱形鋰離子電池內(nèi)部極組為卷繞式，殼蓋間采用塑料密封膠卷，以機械方式進行卷邊壓縮密封，電池蓋子是一個組合件，具有多種保護功能，其中有在內(nèi)壓過高時自動破裂的安全閥和壓力過高時斷路保護機構(gòu)。方形鋰離子電池內(nèi)部極組可為卷繞式或疊層式，目前的商品電池均采用卷繞式為主，方形電池采用激光焊接，實現(xiàn)了殼蓋一體化，殼或蓋上有內(nèi)壓過高時自動破裂的安全閥。 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 34 國外企業(yè)前幾年公布的動力鋰離子電池一般采用卷繞方式，但基于卷繞的鋰離子動力電池工藝有致命的弱點，卷繞式電池芯內(nèi)的極片和隔膜在電池充放電過程中受到的局部應(yīng)力非常不一致，在小電池因其直徑小應(yīng)力影響不是很大，但對于體積大 10 倍以上的動力電池，則易于出現(xiàn)極片斷裂和其他問題。疊片式生產(chǎn)工藝可采用極片包膜工藝以解決卷繞式電芯在高溫下經(jīng)常遇到的因隔膜收縮而導(dǎo)致的短路問題，從電池的散熱角度講也是更為合理的設(shè)計。根據(jù)最近公開的信息，日本最新的電動汽車用鋰離子電池即采用錳酸鋰正極材料和疊片式結(jié)構(gòu)。 電池的制造涉及材料篩 選和評價、極片制造、電芯制造和電池組裝配等一系列流程，制造過程直接關(guān)系到對電池的一致性、安全性。電極材料的好壞直接決定了電芯所能達到的性能極限，需要組裝扣式電池測量電極材料的比容量、首次效率、循環(huán)性等電化學(xué)性能，并對電極材料的粒度、比表面、的表面微觀形貌、晶相、成分及振實密度等進行全面分析。電極的質(zhì)量直接關(guān)系到電芯的質(zhì)量，正負極片的制備主要包括制漿工藝、涂膜工藝、干燥壓光等工藝過程。這些工藝過程主要影響漿料的涂布特性、材料在集流體上的附著是否牢固、正負極片的厚度及均勻性、極片的孔隙率及壓實密度等性能，近年來 ，國內(nèi)大型涂布機、滾壓機等關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)成功為鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，目前好的廠家極片重量誤差可小于 ?1％，厚度誤差小于 5?m。電池的制造涉及多方面因素，鋰離子動力電池的生產(chǎn)對工藝、裝備和管理等諸方面提出了更高的要求。 五、結(jié)語： 電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需要高功率動力電池的支撐，我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級也需要發(fā)展動力電池技術(shù)。至今我國已成為僅次于日本的鋰離子電池生產(chǎn)大國，但遠非強國。目前小型電池多采用手工生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量參次不齊，低價競爭激烈。動力電池的產(chǎn)業(yè)化剛剛開始，能滿足混合電動汽車 15 年使用壽命要求的電池技術(shù)仍然是空白。鑒于車用鋰離子動力電池等高端產(chǎn)品的技術(shù)難度極高，通過科研、工程技術(shù)和管理人員的共同努力，預(yù)期未來幾年會在材料、技術(shù)、工藝和裝備等方面取得突破性進展，生產(chǎn)出“汽車級”的高功率電池產(chǎn)品。 新型鋰離子動力電池生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告 35 動力類鋰離子電池模組技改 項目可行性研究報告 項目實施前景 （ 1）行業(yè)發(fā)展趨勢及產(chǎn)品市場容量 在動力電池模組領(lǐng)域，現(xiàn)占主導(dǎo)地位的是鉛酸電池。但由于鉛酸電池的使用壽命相對較短、能量密度低、不環(huán)保等缺點，正在逐步被具有工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長、環(huán)保等優(yōu)點的鋰離子電池模組所取代。行業(yè)內(nèi)已經(jīng)對鋰離子電池模組成為動力電池主流形成共識，未來鋰離子動力電池擁有廣泛的發(fā)展空間。本項目的動力類鋰離子電池模組主要應(yīng)用于以下市場領(lǐng)域： ①電動工具市場 從 1895年德國制造出世界上第一臺直流電鉆開始，電動工具已經(jīng)走過了一百多年的歷史。充電式電動工具電池市場最初是由鎳鎘電池、鎳氫電池占據(jù)主要市場份額，但隨著鋰離子電池正負極材料的改進和鋰動力電芯的成品率不斷提高造成的成本持續(xù)下降，鋰離子電池模組越來越受到電動工具廠商的重注，市場份額正在快速增加。充電式電動工具市場份額的增長主要來源