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三元正极材料锂电池项目的前景

2021.01.26

项目背景

20世纪是人类发展最为快速的一个世纪,各种高新技术的出现和应用给人们的生活带来了巨大的便利。然而,伴随这种高速发展的是能源的严重消耗,污染的加剧以及全球灾难性气候变化的屡屡出现,这已经严重危害到人类的生存环境和健康安全。全世界已探明的化石燃料(煤、石油、天然气)的贮量在不久以后将会枯竭。为了缓解环境与能源压力,探索新型的能源模式已成为21世纪必须解决的重大课题。 

电池的出现是人们在寻找清洁能源过程中一个里程碑式的事件。电池的最大特点是在提供能源的高效率转化时,能够实现原料的“零排放”,从而减少对原材料的损耗,达到最优化的利用地球上有限的自然资源,实现社会的和谐发展的目的。由此可见电池材料对解决今后的能源危机及其所造成的环境污染起着关键的作用,而锂电池则是能实现高效能量储存与能源转换的储能设备而得到社会的广泛认可。锂电池是通常使用的锂离子电池的俗称,锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正负极,依靠Li+在正负极之间移动来实现充放电的二次电池。

锂离子电池的研究开始于20世纪80年代,20世纪90年代初日本索尼公司推出了第一代锂离子电池并进行了商业化生产。随着现代社会的不断发展和生活水平的逐渐提高,笔记本电脑、手机等数码产品在人们日常生活中的使用越来越频繁。据统计,2015年全球笔记本电脑销量已达到1.644亿台。从2010年开始,我国笔记本电脑市场需求增速明显,2015年1~10月我国笔记本电脑累计产量为14711.95万台。同时,使用手机的人数也大幅增长。截至2015年底,全球手机用户数达到71亿,手机信号已覆盖全球超过95%的人口,其中我国移动电话用户13.06亿户。2015年全球智能手机用户比例首次超过全球人口的四分之一,达到19.1亿,到2016年全球智能手机用户数量将超过20亿,而到2018年,全球三分之一的消费者将是智能手机用户,总数超过25.6亿人。2018年智能手机用户指数代表了全球移动手机用户的一半,这意味着功能手机将成为电子通讯领域的少数派。

如今,锂离子电池以其轻巧、电容量大、寿命长等优点,很快占领市场并且用量越来越大。除笔记本电脑、手机、便携电源、摄像机、便携式测量仪器、小型医疗仪器等小型轻量化电子装臵及电动玩具、电动剃须刀等日用电器中已被广泛应用外,锂离子电池还广泛应用于电动工具、电动汽车、储备电源、军用电源等多种新兴领域。

国外专家指出,在21世纪里,电池将成为最有发展前途的十大支柱产品中排名第二的能源产业。

项目的建设意义

锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍受青睐。作为绿色环保的二次储存能源,锂离子电池具有轻便、移动、高能量、绿色环保等优势。但随着电子信息技术的快速发展,通讯基站、视听设备,工业仪器、医疗器械、手机、笔记本电脑、电动工具、电动自行车乃至电动汽车对锂电池需求量的不断增加,对锂离子电池的能量密度、循环次数、安全性能、生产成本等综合性能也提出了更高的要求。生产品质优良、适销对路的锂离子电池材料,是各生产厂家的必然选择。因此无论是提高能源利用效率、减少不可再生资源消耗还是开发新能源,都与材料产业的创新发展密不可分。正极材料作为目前锂离子电池中最关键的材料,它的发展也最值得关注。

目前常见的锂离子电池正极材料主要有层状结构的钴酸锂、镍酸锂,尖晶石结构的锰酸锂和橄榄石结构的磷酸铁锂。其中,钴酸锂(LiCoO2)制备工艺简单,充放电电压较高,循环性能优异而获得广泛应用。但是,因钴资源稀少、成本较高、环境污染较大和抗过充能力较差,其发展空间受到限制。镍酸锂(LiNiO2)比容量较大,但是制备时易生成非化学计量比的产物,结构稳定性和热稳定性差。锰酸锂除了尖晶石结构的LiMn2O4外,还有层状结构的LiMnO2。其中层状LiMnO2比容量较大,但其属于热力学亚稳态,结构不稳定,存在Jahn-Teller效应而循环性能较差。尖晶石结构的LiMn2O4工艺简单,价格低廉,充放电电压高,对环境友好,安全性能优异,但比容量较低,高温下容量衰减较严重。磷酸铁锂属于较新的正极材料,其安全性高、成本较低,但存在放电电压低(3.4V)、振实密度与压实密度低等性能上的缺点。

上述几种正极材料的缺点都制约了自身的进一步应用,因此寻找新的正极材料成了研究的重点。 

三元正极材料是指镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2),是一种层状镍钴锰三元复合正极材料,是以镍盐、钴盐、锰盐为原料制备而来,产品为黑色粉末,其含有镍钴锰的比例可以根据实际需要调整,在一定程度综合了LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2的优势,提高材料的导电并改善充放电循环性能,弥补不足,改善了材料性能。

三元料优点是三元锂电池能量密度高,循环性能好,并且,随着配方的改进和结构完善,电池的标称电压已达到3.7V,在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。因此,资源丰富、价格低廉、合成容易、环保无毒和绿色的三元材料成为下一代动力电池材料的首选,被认为是最有可能取代目前商用钴酸锂的新型正极材料,是现今锂离子电池研究的一大热点。

三元材料与其它正极材料相比综合性能最具优势,比钴酸锂价格低,安全性好,比锰酸锂循环性能好,比磷酸铁锂电压高,既可用于手机、笔记本电脑用小型锂电池,也可用于电动车用大型动力锂电池,市场潜力巨大。通过对锂电池及其需求市场以及各种正极材料的应用前景的分析,三元材料将成为正极材料的主流,发展空间巨大。

产业政策和行业发展规划

锂离子电池三元正极材料在现代工业和科学技术中发挥着举足轻重的作用,是支持和促进社会发展的关键材料,国家和地方政府均予以积极的发展扶持。根据国家发改委颁布的《产业结构调整指导目录(2011年本)》(2013年修订)“鼓励类”产业“十九、轻工”中的“第17条”为“锂离子电池用磷酸铁锂等正极材料、中间相炭微球和钛酸锂等负极材料“,本项目属于锂离子电池最新型正极材料的生产,因此符合国家最新产业结构调整指导目录,属于鼓励类。

项目建设除符合国家产业政策外,也符合政府和相关部门近年来不断下发的各文件精神。如国家《新材料产业“十二五”发展规划》将 “先进储能材料、光伏材料产业化取得突破,基本满足新能源汽车、太阳能高效利用等需求”确定为工程目标,并将“组织开发高效率、大容量(≥150mAh/g)、长寿命(大于2000次)、安全性能高的磷酸盐系、镍钴锰三元系、锰酸盐系等锂离子电池正极材料,新增正极材料产能45万吨/年,着力实现自主化…”确定为目标规划的主要内容。本项目产品属于该“十二五“规划中重点发展的锂离子正极材料,符合规模要求。

《国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)的通知》(国发„2012‟22号)指出:“加快培育和发展节能汽车与新能源汽车,既是有效缓解能源和环境压力,推动汽车产业可持续发展的紧迫任务,也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略举措。为落实国务院关于发展战略性新兴产业和加强节能减排工作的决策部署,加快培育和发展节能与新能源汽车产业。”《通知》还明确提出:“加快研制动力电池正负极、隔膜、电解质等关键材料及其生产。”

项目建设除符合国家产业政策外,也符合政府和相关部门近年来不断下发的各文件精神。如国家《新材料产业“十二五”发展规划》将 “先进储能材料、光伏材料产业化取得突破,基本满足新能源汽车、太阳能高效利用等需求”确定为工程目标,并将“组织开发高效率、大容量(≥150mAh/g)、长寿命(大于2000次)、安全性能高的磷酸盐系、镍钴锰三元系、锰酸盐系等锂离子电池正极材料,新增正极材料产能45万吨/年,着力实现自主化…”确定为目标规划的主要内容。本项目产品属于该“十二五“规划中重点发展的锂离子正极材料,符合规模要求。

《国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)的通知》(国发„2012‟22号)指出:“加快培育和发展节能汽车与新能源汽车,既是有效缓解能源和环境压力,推动汽车产业可持续发展的紧迫任务,也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略举措。为落实国务院关于发展战略性新兴产业和加强节能减排工作的决策部署,加快培育和发展节能与新能源汽车产业。”《通知》还明确提出:“加快研制动力电池正负极、隔膜、电解质等关键材料及其生产。” 

此外,近年来国家颁布的一系列与锂电池正极材料行业相关的政策文件,如《电动自行车用锂离子电池产品规格尺寸》、《电池行业清洁生产实施方案》、《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》、《分离膜行业“十二五”发展指南》、《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点通知》等,均对支持与鼓励锂电池及三元材料等的需求产生有效拉动。2015年2月16日,科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》,其中明确要求了2015年底轿车动力电池能量密度要达到200Wh/kg。一时间,更是让无数人将目光投向了三元材料。

近几年来,中央深入推进西部大开发战略,加大了对西部地区新能源、新材料产业发展的支持力度。《国务院关于中西部地区承接产业转移的指导意见》(国发„2010‟28号)指出“发挥国家级经济技术开发区、高新技术产业开发区的示范带动作用,承接发展电子信息、生物、航空航天、新材料、新能源等战略性新兴产业。鼓励有条件的地方加强与东部沿海地区创新要素对接,大力发展总部经济和研发中心,支持建立高新技术产业化基地和产业“孵化园”,促进创新成果转化。

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