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1、动力锂电池磷酸铁锂电池 发展电动汽车用动力电池的社会意义 减少对石油的依赖程度 减少CO2的排放量 减缓全球温室效应 优良的电池性能有助于改善汽车的整体性能 减少对石油的依赖程度 中国石油总需求供需缺口 中国原油需求和消费图 BP世界能源统计2006 的数据表明 以目前的开采速度计算 全球石油储量可供生产40年 煤炭可用160年 对于我国这样一个多煤少油的国家而言 发展锂电池新能源应用势在必行 2009年我国石油对外依存度提高2 5个百分点 已到达53 目前 我国原油消费60 用于交通用油 所以如何降低交通用油量 减少对原油进口的依赖程度有重要的意义 减少CO2的排放量 中国目前是世界上第二大
2、CO2排放国 WWF预测到2010年中国将成为全球第一大CO2排放国 中国面临着越来越大的碳减排压力 从OICA的统计数据来看 汽车尾气排放已占据CO2排放总量的16 因此 推广使用清洁能源汽车 是势在必行的一项重大举措 汽车占CO2排放量的16 From OICA 发展电动汽车用动力电池的经济意义 电池是目前新能源汽车技术和成本上最大的瓶颈 同时也是新能源汽车产业链中利润最丰厚的一环 而且丰厚利润将长期维持 动力电池行业从无到有 市场容量从目前的十几亿到2018年的约325亿 未来几年是十几倍的增长 巨大的增长空间将使整个产业链受益 电动汽车将带动与产业配套的相关设备产业飞速发展 如充电站
3、充电适配器 大功率充电设备连接器等 汽车用动力锂电池市场分析 一 目前全球锂电池主要满足手机 笔记本电脑 PDA等电子产品需求 市场规模为50亿美元 未来5年 10年左右 电动汽车将推动锂电池市场规模达约110 550亿美元规模 全球锂电池市场规模 亿美元 预测From IIT中信建设研发部 国内已经有完整的锂电池产业链 比亚迪 比克等已居全球锂电池行业前列 且在动力电池关键的电池组成领域并不落后国外厂商 比亚迪全球第一个推出商用插电式混合动力汽车F3DM 天津力神将与迈尔斯合作生产动力电池 产业整体的规模和技术竞争力并不明显落后于国外 动力电池和电动汽车目前面临的最大挑战是降低成本 中国企业
4、在降低电池制造成本中能发挥比日 美企业更大的作用 中国汽车产业在传统的发动机技术上与国外差距大 资产沉淀少 政府和企业有更大动力推动电动汽车产业的发展 汽车用动力锂电池市场分析 二 全球锂电池的产值增长趋势 From IIT报告 上述数据表明 在2003年 2018年锂电池产业将保持较好的增长态势 到2018年锂电池产业的产值将达到320亿美元 锂电池市场未来的增长主要来源于电动汽车等动力锂电池领域 笔记本电脑等小型锂电领域对锂电池需求的快速增长 其中2018年电动汽车领域的锂电池产值将占50 以上 超过160亿美元 全球动力锂电池的总容量需求增长趋势 From IIT报告 2010 2013
5、年全球动力锂电池汽车对锂电池的总容量需求的复合增长率为116 2013 2018年的复合增长率将保持在26 2009年小型锂电的总容量需求约为48亿Wh 预计2018年动力锂电池的总容量需求将达到350亿Wh 增长约6 3倍 全球主要锂电池企业08年Q4市场占有率 From IIT中信建设研发部 全球主要锂离子电池企业的投产和生产计划 From 申万研究2009 05 目前国内锂电池生产结构分析 随着国内锂电池产业链的逐步完善 以及应用市场需求的逐步扩大 锂电池市场将呈现持续性增长的趋势 加上中国作为一个低廉的劳动成本和丰富的原材料资源大国 锂电池市场格局将不再被日韩厂商所主导 虽然国内锂电池
6、产业历程并不长 但其产业发展得益于手机 NB市场的蓬勃发展 加上国内快速发展的经济对能源需求的逐年增加 推动锂电池产业的发展 例如比亚迪 深圳比克已在全球锂电池市场占相当大的市场比率 急起直追日韩商 目前中国大陆锂电池产业正处于优胜劣汰的发展过程 唯具有技术和品牌优势的厂家 才有机会获得更大的市场空间 电芯生产由于生产工艺和技术相对成熟 在有稳定的正极材料货源情况下 国内大部分锂离子电池厂商均能生产出磷酸铁锂电芯 由于制造动力电池涉及到电芯的组合 必须保证电芯的一致性 这样对电池的生产设备提出了更高更专业的要求 所以设备资金投入很大 一般来说 建设一条磷酸铁锂电芯生产线至少需要5000万元的启
7、动资金 创业企业在进入这一领域有一定的难度 传统的电池生产企业将具有较大的优势 国内磷酸铁锂电池市场现状 国内锂电池厂商多集中在广东 深圳 浙江 天津等地 其中 深圳是国内最大的锂电池生产基地 有代表性的是比亚迪 比克 ATL等 主流锂离子电池材料报价 各国政府新能源汽车政策 1 十城千辆工程 由科技部 财政部 发改委 工业和信息化部于2009年元月共同启动 主要内容是 通过提供财政补贴 计划用3年左右的时间 每年发展10个城市 每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行 涉及这些大中城市的公交 出租 公务 市政 邮政等领域 力争使全国新能源汽车的运营规模到2012年占到汽车市场份额的10
8、2 新能源汽车补贴政策 中国政府在2010年3月底推出私人补贴标准 补贴金额从3000到60000元不等 被列入工信部 节能和新能源汽车产品公告 的1 6升和以下排量乘用车都将进入补贴范围 这些符合规定的节能小车预计能得到约3000元的补贴 新能源车的补贴范围以纯电动车和插入式电动车为主 纯电动车的补助从3万到6万元 插入式电动车的补助从1 5万元到5万元 中国对新能源汽车的政策 3 汽车产业调整和振兴规划 我国2009年3月发布的 汽车产业调整和振兴规划 中 对发展新能源汽车制定了大致目标 未来三年 中国将形成50万辆纯电动混合动力和普通型混合动力新能源汽车产能 到2012年 新生产汽车中将
9、有10 是节能与新能源汽车 新能源汽车产值有望达到5000亿元 汽车产业调整和振兴规划 明确提出 要 实施新能源汽车战略 推动纯电动汽车 充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化 掌握新能源汽车的专用发动机和动力模块 电机 电池及管理系统等 的优化设计技术 规模生产工艺和成本控制技术 三年内建立动力模块生产体系 形成10亿安时 Ah 车用高性能单体动力电池生产能力这对国内动力电池生产企业及电池管理系统供应商提出了不小的挑战 中国对新能源汽车的政策 锂电池技术背景 定义 锂电池的全称应该叫锂离子电池 简称LIB 在20世纪90年代初索尼公司将锂电池产业化 它以碳为负极 以含锂的化合物作正极 在充
10、放电过程中 没有金属锂存在 只有锂离子 这就是锂离子电池名称的由来 2 内部结构 锂离子电池由正极 负极 电解液和隔膜等组成 正极 由含锂的过渡金属氧化物组成 常用的材料有钴酸锂 锰酸锂 三元材料和磷酸铁锂 负极 石墨 石墨化碳材料 改性石墨 石墨化中间相碳微粒电解液 一种有机电解液 大部分是由六氟磷酸锂 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 隔膜 一种特殊的复合膜 它的功能是隔离正负极 阻止电子穿过 同时能够允许锂离子通过 从而完成在电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输 目前主要是聚乙烯 PE 或者聚丙烯 PP 微孔膜 3 工作
11、原理 当外部电源给电池充电 此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上 锂离子Li 从正极 跳进 电解液里 爬过 隔膜上弯弯曲曲的小洞 游泳 到达负极 与早就跑过来的电子结合在一起 当电池放电时 机理与充电是刚好是相反的 以LiFePO4为例 其化学反应方程式为 4 锂电池分类 聚合物锂电池和锂离子电池主要区别在电解质 锂离子电池的电解质是液态的 聚合物电池的电解质是胶体型 或者固态聚合物 聚合物锂电池的反应原理和锂离子电池一样 一般以软包的形式 形状可塑性强 锂离子电池一般做成圆柱形或者方形 从安全角度来讲 聚合物锂电池比锂离子电池更安全 5 锂电池充电曲线 cc cv模式 恒压模式一般被称
12、为涓流充电 其电流一般很小 降到0 1C以下 一般用整个充电时间的1 3充满容量的1 10 6 锂电池产业链 在上游原材料中 正极材料是锂电池中最为关键的原材料 直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化 同时也是锂电池成本占比最高的材料 约占锂电池电芯材料成本的1 3左右 正极材料 磷酸铁锂 磷酸铁锂 LiFePO4 简称LFP 也叫锂铁磷 电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池 其工作原理和锂离子电池是一样的 LiFePO4正确的化学式为LiMPO4 M可以是任何金属 如Fe Co Mn Ti等 其物理结构为橄榄石结构 从结构来看 可以用在锂离子电池的正极材料还有AyMPO4 Li1 x
13、MFePO4 LiFePO4 MO等都可以做正极材料 其特色是不含贵重元素 原料价格低且磷 铁 锂在地球上的资源含量丰富 供料不会存在很大问题 除具有锂电池的共性特点外 还有一些特有的优点 比如其工作电压适中 3 2V 容量大 170mAh g 高放电功率 可快速充电且循环寿命长 高达2000次 在高温与高热环境下的稳定性高 磷酸铁锂工作原理图 宏观图 微观结构图 LiFePO4电池在充电时 正极中的锂离子Li 通过聚合物隔膜向负极迁移 在放电过程中 负极中的锂离子Li 通过隔膜向正极迁移 磷酸铁锂的特点分析 一 优点LiFePO4电池的标称电压是3 2V 稳定的放电平台 终止充电电压是3 6
14、V 终止放电压是2 0V 比容量大 高效率输出 标准放电为2 5C 连续高电流放电可达10C 瞬间脉冲放电 10S 可达20C 3 工作温度范围宽广 20 75 高温时性能良好 外部温度65 时内部温度则高达95 电池放电结束时温度可达160 电池内部结构安全 完好 4 即使电池内部或外部受到伤害 电池不燃烧 不爆炸 安全性最好 5 极好的循环寿命 经500次循环 其放电容量仍大于95 实验室制备的磷酸铁锂单体电池在进行IC的循环测试时 循环寿命高达2000次 磷酸铁锂的特点分析 二 优点6 过放电到零伏也无损坏 零电压存放7天后电池无泄漏 性能良好 容量为100 存放30天后 无泄漏 性能良
15、好 容量为98 存放30天后的电池再做3次充放电循环 容量又恢复到100 7 可快速充电 自放电少 无记忆效应 可大电流2C快速充放电 在专用充电器下 1 5C充电40分钟内即可使电池充满 起动电流可达2C 8 低成本 9 对环境无污染 LFP电池放电曲线 以STL18650为例 在不同放电倍率和不同温度下放电曲线 高效率输出 工作温度范围广 磷酸铁锂的特点分析 三 缺点导电性差 目前在实际生产过程中通过在前驱体添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂的办法来改善材料的导电性 A123 烟台卓能正采用这种方法 研究表明 磷酸铁锂的电导率提高了7个数量级 使磷酸铁锂具备了和钴酸锂相近的电导特性 2 锂
16、离子扩散速度慢 目前采取的解决方案主要有纳米化LiFePO4晶粒 从而减少锂离子在晶粒中的扩散距离 再者就是掺杂改善锂离子的扩散通道 后一种方法看起来效果并不明显 纳米化已经有较多的研究 但是难以应用到实际的工业生产中 目前只有A123宣称掌握了LiFePO4的纳米化产业技术 磷酸铁锂的特点分析 四 缺点3 振实密度较低 一般只能达到0 8 1 3 低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点 但这一缺点在动力电池方面不会突出 因此 磷酸铁锂主要是用来制作动力电池 4 磷酸铁锂电池低温性能差 在0 时的容量保持率约60 70 10 时为40 55 20 时为20 40 这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求 当前一些厂家通过改进电解液体系 改进正极配方 改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升 正极材料 磷酸铁锂与锰酸锂的电性能比较 生产锂离子动力电池必然要对正极材料进行选择 虽然从理论上讲 可以提供选择的正极材料品种繁多 但是目前真正可以应用商业生产用途的锂离子正极材料很少 归纳下来只有磷酸铁锂 锰酸锂材料 下面我们对两种材料进行一下对比 通过以上比较 两种正极材
