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1、 1 锂电池正极材料锂电池正极材料 磷酸铁锂生产技术磷酸铁锂生产技术 可可 行行 性性 报报 告告 中国科学院老专家技术中心中国科学院老专家技术中心 中科国发科学技术有限公司中科国发科学技术有限公司 2 锂离子电池正极材料磷酸铁锂产业化 可 行 性 研 究 报 告 一。 概述1 1.1.项目背景 1.2.技术开发状况 1.3.产品主要用途、性能 二。 技术可行性分析 2.1.项目的技术路线、工艺的合理性和成熟性，关键技术的先进性和效果 . 项目的生产路线 . 技术的创造性和先进性 . 技术创新性 . 工艺与原材料的适应性及其经济合理性 . 连续化、自动化及环保情况 . 成果的创造性、先进性 2
2、.2.产品技术性能水平与国内外同类产品的比较 2.3.项目承担单位在实施本项目中的优势 . 政策优势 . 技术优势 . 市场优势 . 性能优势 三。 项目成熟程度 3.1. 产品质量的稳定性，以及在价格、性能情况 . 技术质量指标 3.2.核心技术的知识产权情况 四。 市场需求情况和风险分析 .国内市场需求规模和产品的发展前景、在国内市场的竞争优势和市场占有率 . 国内市场需求规模 . 产品经济周期及目前所处生命期的阶段 . 小型锂离子电池市场对磷酸铁锂的需求趋势 . 车用动力电池市场对磷酸铁锂的需求趋势 五。投资与效益分析 六。风险分析及对策 . 项目风险 . 风险对策3 锂离子电池正极材料
3、磷酸铁锂产业化 可 行 性 研 究 报 告 一. 概述 1.1.项目背景 锂离子动力电池是一种以满足混合电动汽车、纯电动汽车、电动自行车、 电动摩托车、不间断电源、割草机、矿灯和小型发电站电能存储和转换的大容 量、高功率的大型锂离子电池。工业的发展和人类文明的进步很大程度建立在 石油能源的基础上，并且依赖程度日趋严重，石油能源是不可再生能源，随着 石油能源的匮乏，人类提出了节约、合理使用石油能源。锂离子动力电池可以 在大量领域内使用电能取代石油能源，节约了大量宝贵的石油资源，同时电能 是一种清洁能源，可以缓解使用石油能源带来的严重的环境污染。因此，大量 发展锂离子动力电池具有重要的社会经济意义
4、。环保的呼声和不可再生能源紧 缺给绿色二次能源提供了广阔的发展空间，促进了电动自行车，混合电动汽车 的研究、生产和应用。锂离子动力电池具有能量密度高、环境友好、安全性好 和循环寿命长的特点，成为电动车首选移动能源。锂离子动力电池作为绿色二 次能源具有巨大的市场需求，其主要可用于电动自行车和混合电动汽车及车用 蓄电池。正极材料是锂离子动力电池应用的主要障碍，一是原来开发的钴酸锂 正极材料不安全，二是大量使用价格昂贵，总的来说钴酸锂不适合用作锂离子 动力电池正极材料。因此，开发低成本、高性能正极材料具有重要的社会经济 效益。我国的电动自行车从研制开发到上世纪90年代中期小批量投放市场，及 至现在的
5、生产和销售，一直呈逐年大幅增长的势头。1998年我国电动自行车的 产量为5.54万辆，1999年产量为12.6万辆，2000年为27.6万辆，到2001年上升 到 58万辆，2002年起销售规模突破100万辆，2003年全国产量高达400万辆，2004 年已销售500万辆，累计产销量达1500万辆，市场容量已经达到100亿元，全国 共有近700家电动自行车企业获得了生产许可证。目前中国的自行车数量为5亿 辆，保守估计，其中每年2%被电动自行车取代，每辆电动自行车配一个动力电 池，每个电池用1千克磷酸铁锂计算，一年所需要的磷酸铁锂正极材料将达到1 万吨。 混合电动汽车最先主要是公交车上的应用，
6、以全国的100个大中城市计算， 共计采用混合电动汽车50000辆，每辆车车用电池使用正极材料100千克计算， 一年需要正极材料5000吨。另外，磷酸铁锂可以在小电池上可以和钴酸锂混合 使用，一年的需求量将达到5000吨。因此，保守估计，磷酸铁锂正极材料每年 市场需求为2万吨。磷酸铁锂每吨15万元，总计每年的销售额为30亿元人民币。 磷酸铁锂正极材料的产业化将直接带动锂离子动力电池的产业化，同时由于磷 酸铁锂动力电池的重量轻，续航能力大的优势，电动自行车行业将以更高的速 度增长。磷酸铁锂正极材料的产业化也将推动混合电动车的应用和推广。同时， 锂离子动力电池在车用蓄电池、不间断电源、大型通信电源等
7、方面的应用具有 广阔的市场。 锂离子动力电池可能采用的正极材料有钴酸锂 （LiCoO2） 、 镍酸锂 （LiNiO2） 、磷酸亚铁锂(LiFePO4)，锰酸锂（LiMn2O4）四种。钴酸锂价格昂贵、安全性能4 差，镍酸锂安全性能差，锰酸锂高温下锰的溶解引起容量快速下降，都不能满 足动力电池要求。磷酸铁锂价格便宜、安全性好、环境友好，适合大功率锂离 子动力电池要求，成为国内外锂离子动力电池正极材料研发重点。日本和加拿 大有磷酸铁锂锂出售，国内也有少数几家公司正在进行前期研究。目前国内从 事锂离子动力电池技术研发的公司较多， 主要有中信国安盟固利电源有限公司， 北京星恒电池有限公司，奥柯玛新能源有
8、限公司，天津蓝天双环，北京博大电 池有限公司，湖南晶鑫动力电池有限公司等。其中，中信国安盟固利、北京星 恒、博大和晶鑫都以锰酸锂可以作为锂离子动力电池正极材料，该种锂离子动 力电池并没有在电动车上真正使用。钴酸锂不适合作为锂离子动力电池正极材 料，一是价格昂贵，二是带来了安全隐患。也有少数公司如奥柯玛新能源有限 公司采用了磷酸亚铁锂作为正极材料，以该种材料开发的锂离子动力电池完全 满足安全和动力要求，目前已经投入了大量资金正在准备大规模生产锂离子动 力电池。磷酸铁锂能满足锂离子动力电池的要求，但是， 目前还没有大规模的 磷酸铁锂生产，因此磷酸铁锂的研发迫在眉睫。目前，用作动力电池的磷酸铁 锂正
9、极材料主要存在电导率较低导致放电容量偏低的缺陷。近年来，国内外科 研机构和锂离子电极材料厂家以及动力电池的生产成家都一致认为，磷酸铁锂 是锂离子动力电池的最佳正极材料，磷酸铁锂作为正极材料的锂离子动力电池 将为电动自行车、混合电动车提供可靠的移动能源供给。 1.2.技术开发状况 本项目课题组经过多年研究开发，在锂离子电池正极材料领域积累了丰富 的经验，成功开发了锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂多种正极材料。以锰酸锂 技术为核心的产品已经在蜀都纳米粉体材料有限公司和深圳贝特瑞电池材料有 限公司成功产业化。 目前在锂离子电池正极材料研究方面， 已具备了一定的物质基础和技术 基础，其实验室自筹经费建实验
10、室建设拨款，总投入已近500万元，购置了多种 实验和测试设备，建立了专用实验室约400平方米，目前实验室具备的与本项目 有关的设备和仪器如下： 电化学综合测试仪一套（CHI660b） ，5万元； Arbin 8通道电池测试仪（美国） ，20万元； 实验合成用专用反应炉及控制设备4台（自制） ，8万元； 锂离子电池程控测试仪4组（武汉蓝电电子公司） ，4万元； 手套箱1套（自制） ，约5万元； 搅拌磨，一台，2万元； 行星式球磨机，四台，3万元； 纳米颗粒Zeta电位仪,美国布鲁克海文公司, 1台, 34.0万元； 多功能视频显微镜,美国科视达公司, 1台, 39.6；万元 比表面吸附仪,美国康
11、塔公司, 1台, 23.8万元； 综合热分析仪,德国NETZSCH公司, 1台, 38.25万元； 原子力显微镜,上海爱建纳米科技公司, 1台, 24.96万元； 扫描隧道显微镜,上海爱建纳米科技公司, 1台, 8.24万元； 本项目从1999年开始实验室研究，目前实验室工作已经全部完成，各项性 能均处于国内领先地位。该工艺的特点是： （1）实现了原材料的国产化,并通过采取原材料预处理的方法,确保了国产5 化原材料的均匀性和稳定性； （2）确定了最佳配方及最佳工艺流程；采取特种混料技术,实现了原材料 的纳米级均匀混合,通过这种混合得到的前驱体有利于后续固相烧结工艺中反 应组分的扩散，缩短了反应
12、时间，降低了反应温度，得到的产品均匀性和一致 性好且制造成本低。 （3）采用掺入微量金属元素和少量含碳前驱体的方法，合成了多元掺杂改 性的磷酸铁锂复合正极材料，材料综合性能好,特别是循环性能显著提高。 1.3.产品主要用途、性能 本项目生产的磷酸铁锂材料主要用作锂离子电池正极材料，目前锂离子电 池主要应用于手机电池，笔记本电脑，摄像机，高档电动玩具等便携式电器， 此外电动汽车和电动摩托车也是潜在的巨大市场。 由于国内外磷酸铁锂材料仍处于研制开发阶段， 尚未形成规模生产， 因此， 目前尚无统一标准，也无行业标准。本项目性能指标参照国际上某些公司的标 准及国内一些电池厂家的要求制定，磷酸铁锂材料的
13、性能如下： 二二. 技术可行性分析技术可行性分析 2.1.项目的技术路线、工艺的合理性和成熟性，关键技术的先进性和效果 . 项目的生产路线 本技术利用铁盐、锂盐和磷酸盐为主要原料，同时采取掺其它元素和含碳 前驱体进行锂离子电池正极复合材料磷酸铁锂的合成，主要技术特点如下： （1）采用物理和化学方法对原料进行预处理。 （2）用正交实验方法获得利用合成磷酸铁锂的最佳条件。 （3）采用掺杂方式，合成了多元掺杂改性磷酸铁锂复合材料。 （4）采用本技术制备的磷酸铁锂复合正极材料，产品性能达到了国际同类产品 的先进水平。 . 技术的创造性和先进性 Li 4.40 Fe 35.40 P 19.63 O 40
14、.57 化学成分（%） Li/ Fe 1.00 1.05 电容量(mAh/g) 135 充放电次数 500- 1000 平均粒径 3 8m 振实密度(g/cm3) 1.0- - 1.3 物理性能 比表面积(m2/g) 115 135 振实 1.2 1.3 比表面积(m2/g) 1- 50 3- 10 Li:Fe(molar) 1.02- 1.06 1.0- 1.05 500次循环后容量衰减 率(%) 90%。 3.2.核心技术的知识产权情况 磷酸铁锂材料作为锂离子电池的正极材料，要求承受反复的电流充放。在 充电时，锂离子从正极中脱出而嵌入负极，放电时则从负极脱出嵌入正极。如 此往复运动。要使其
15、具有较高的循环寿命，则要求其在锂离子脱出/嵌入时结构 上具有较好的可逆性，即在锂离子反复脱出/嵌入时，磷酸铁锂材料的骨架不致 于坍塌，而引起循环性能失效。因此，控制磷酸铁锂材料的循环性能一般从控 制合成工艺（温度制度）着手，保证其具有完好的晶体结构。磷酸铁锂材料的 另一个重要性能是大电流特性，即在较高倍率下的充放电能力，也即电池的功 率输出特性。尤其是在动力型应用时，这一性能显得尤为重要。这也同样对磷 酸铁锂的晶体结构提出了较高的要求，使锂离子能快速的迁移。本项目 通过金 属离子掺杂和现场引进纳米结构碳既提高了磷酸铁锂的导电率和锂离子扩散能 力，同时又通过特殊的工艺保证了磷酸铁锂晶体结构的完整
16、，在结构和工艺上 给磷酸铁锂的物化性能提供了保证。本项目正在申请国家发明专利。 四四.市场需求情况市场需求情况 4.1.国内市场需求规模和产品的发展前景、 在国内市场的竞争优势和市场占有率 . 国内市场需求规模 中国锂离子电池的生产总量己位居世界第二,2001年锂离子电池产量为2.2 亿只。随着国内电芯厂家生产技术的进一步提高,基于成本的原因,专家预计 中 国必将超过日本成为世界锂离子电池的第一大生产国。中国目前有大大小小的 锂离子电池生产厂50多家,其中,比亚迪公司已日产30万只以上,邦凯公司日产已 突破10万只,华粤宝、贵州航天、银思奇等公司日产量已达到4一8万只,其他厂家 都纷纷在扩大规模。另外
