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三元正極材料鋰電池項目的前景

2021.01.26

項目背景

20世紀是人類發展最為快速的一個世紀,各種高新技術的出現和應用給人們的生活帶來了巨大的便利。然而,伴隨這種高速發展的是能源的嚴重消耗,污染的加劇以及全球災難性氣候變化的屢屢出現,這已經嚴重危害到人類的生存環境和健康安全。全世界已探明的化石燃料(煤、石油、天然氣)的貯量在不久以后將會枯竭。為了緩解環境與能源壓力,探索新型的能源模式已成為21世紀必須解決的重大課題。 

電池的出現是人們在尋找清潔能源過程中一個里程碑式的事件。電池的最大特點是在提供能源的高效率轉化時,能夠實現原料的“零排放”,從而減少對原材料的損耗,達到最優化的利用地球上有限的自然資源,實現社會的和諧發展的目的。由此可見電池材料對解決今后的能源危機及其所造成的環境污染起著關鍵的作用,而鋰電池則是能實現高效能量儲存與能源轉換的儲能設備而得到社會的廣泛認可。鋰電池是通常使用的鋰離子電池的俗稱,鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正負極,依靠Li+在正負極之間移動來實現充放電的二次電池。

鋰離子電池的研究開始于20世紀80年代,20世紀90年代初日本索尼公司推出了第一代鋰離子電池并進行了商業化生產。隨著現代社會的不斷發展和生活水平的逐漸提高,筆記本電腦、手機等數碼產品在人們日常生活中的使用越來越頻繁。據統計,2015年全球筆記本電腦銷量已達到1.644億臺。從2010年開始,我國筆記本電腦市場需求增速明顯,2015年1~10月我國筆記本電腦累計產量為14711.95萬臺。同時,使用手機的人數也大幅增長。截至2015年底,全球手機用戶數達到71億,手機信號已覆蓋全球超過95%的人口,其中我國移動電話用戶13.06億戶。2015年全球智能手機用戶比例首次超過全球人口的四分之一,達到19.1億,到2016年全球智能手機用戶數量將超過20億,而到2018年,全球三分之一的消費者將是智能手機用戶,總數超過25.6億人。2018年智能手機用戶指數代表了全球移動手機用戶的一半,這意味著功能手機將成為電子通訊領域的少數派。

如今,鋰離子電池以其輕巧、電容量大、壽命長等優點,很快占領市場并且用量越來越大。除筆記本電腦、手機、便攜電源、攝像機、便攜式測量儀器、小型醫療儀器等小型輕量化電子裝臵及電動玩具、電動剃須刀等日用電器中已被廣泛應用外,鋰離子電池還廣泛應用于電動工具、電動汽車、儲備電源、軍用電源等多種新興領域。

國外專家指出,在21世紀里,電池將成為最有發展前途的十大支柱產品中排名第二的能源產業。

項目的建設意義

鋰離子電池因其電壓高、能量密度高、循環壽命長、環境污染小等優點倍受青睞。作為綠色環保的二次儲存能源,鋰離子電池具有輕便、移動、高能量、綠色環保等優勢。但隨著電子信息技術的快速發展,通訊基站、視聽設備,工業儀器、醫療器械、手機、筆記本電腦、電動工具、電動自行車乃至電動汽車對鋰電池需求量的不斷增加,對鋰離子電池的能量密度、循環次數、安全性能、生產成本等綜合性能也提出了更高的要求。生產品質優良、適銷對路的鋰離子電池材料,是各生產廠家的必然選擇。因此無論是提高能源利用效率、減少不可再生資源消耗還是開發新能源,都與材料產業的創新發展密不可分。正極材料作為目前鋰離子電池中最關鍵的材料,它的發展也最值得關注。

目前常見的鋰離子電池正極材料主要有層狀結構的鈷酸鋰、鎳酸鋰,尖晶石結構的錳酸鋰和橄欖石結構的磷酸鐵鋰。其中,鈷酸鋰(LiCoO2)制備工藝簡單,充放電電壓較高,循環性能優異而獲得廣泛應用。但是,因鈷資源稀少、成本較高、環境污染較大和抗過充能力較差,其發展空間受到限制。鎳酸鋰(LiNiO2)比容量較大,但是制備時易生成非化學計量比的產物,結構穩定性和熱穩定性差。錳酸鋰除了尖晶石結構的LiMn2O4外,還有層狀結構的LiMnO2。其中層狀LiMnO2比容量較大,但其屬于熱力學亞穩態,結構不穩定,存在Jahn-Teller效應而循環性能較差。尖晶石結構的LiMn2O4工藝簡單,價格低廉,充放電電壓高,對環境友好,安全性能優異,但比容量較低,高溫下容量衰減較嚴重。磷酸鐵鋰屬于較新的正極材料,其安全性高、成本較低,但存在放電電壓低(3.4V)、振實密度與壓實密度低等性能上的缺點。

上述幾種正極材料的缺點都制約了自身的進一步應用,因此尋找新的正極材料成了研究的重點。 

三元正極材料是指鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2),是一種層狀鎳鈷錳三元復合正極材料,是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料制備而來,產品為黑色粉末,其含有鎳鈷錳的比例可以根據實際需要調整,在一定程度綜合了LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2的優勢,提高材料的導電并改善充放電循環性能,彌補不足,改善了材料性能。

三元料優點是三元鋰電池能量密度高,循環性能好,并且,隨著配方的改進和結構完善,電池的標稱電壓已達到3.7V,在容量上已經達到或超過鈷酸鋰電池水平。因此,資源豐富、價格低廉、合成容易、環保無毒和綠色的三元材料成為下一代動力電池材料的首選,被認為是最有可能取代目前商用鈷酸鋰的新型正極材料,是現今鋰離子電池研究的一大熱點。

三元材料與其它正極材料相比綜合性能最具優勢,比鈷酸鋰價格低,安全性好,比錳酸鋰循環性能好,比磷酸鐵鋰電壓高,既可用于手機、筆記本電腦用小型鋰電池,也可用于電動車用大型動力鋰電池,市場潛力巨大。通過對鋰電池及其需求市場以及各種正極材料的應用前景的分析,三元材料將成為正極材料的主流,發展空間巨大。

產業政策和行業發展規劃

鋰離子電池三元正極材料在現代工業和科學技術中發揮著舉足輕重的作用,是支持和促進社會發展的關鍵材料,國家和地方政府均予以積極的發展扶持。根據國家發改委頒布的《產業結構調整指導目錄(2011年本)》(2013年修訂)“鼓勵類”產業“十九、輕工”中的“第17條”為“鋰離子電池用磷酸鐵鋰等正極材料、中間相炭微球和鈦酸鋰等負極材料“,本項目屬于鋰離子電池最新型正極材料的生產,因此符合國家最新產業結構調整指導目錄,屬于鼓勵類。

項目建設除符合國家產業政策外,也符合政府和相關部門近年來不斷下發的各文件精神。如國家《新材料產業“十二五”發展規劃》將 “先進儲能材料、光伏材料產業化取得突破,基本滿足新能源汽車、太陽能高效利用等需求”確定為工程目標,并將“組織開發高效率、大容量(≥150mAh/g)、長壽命(大于2000次)、安全性能高的磷酸鹽系、鎳鈷錳三元系、錳酸鹽系等鋰離子電池正極材料,新增正極材料產能45萬噸/年,著力實現自主化…”確定為目標規劃的主要內容。本項目產品屬于該“十二五“規劃中重點發展的鋰離子正極材料,符合規模要求。

《國務院關于印發節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)的通知》(國發?2012?22號)指出:“加快培育和發展節能汽車與新能源汽車,既是有效緩解能源和環境壓力,推動汽車產業可持續發展的緊迫任務,也是加快汽車產業轉型升級、培育新的經濟增長點和國際競爭優勢的戰略舉措。為落實國務院關于發展戰略性新興產業和加強節能減排工作的決策部署,加快培育和發展節能與新能源汽車產業?!薄锻ㄖ愤€明確提出:“加快研制動力電池正負極、隔膜、電解質等關鍵材料及其生產?!?/p>

項目建設除符合國家產業政策外,也符合政府和相關部門近年來不斷下發的各文件精神。如國家《新材料產業“十二五”發展規劃》將 “先進儲能材料、光伏材料產業化取得突破,基本滿足新能源汽車、太陽能高效利用等需求”確定為工程目標,并將“組織開發高效率、大容量(≥150mAh/g)、長壽命(大于2000次)、安全性能高的磷酸鹽系、鎳鈷錳三元系、錳酸鹽系等鋰離子電池正極材料,新增正極材料產能45萬噸/年,著力實現自主化…”確定為目標規劃的主要內容。本項目產品屬于該“十二五“規劃中重點發展的鋰離子正極材料,符合規模要求。

《國務院關于印發節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)的通知》(國發?2012?22號)指出:“加快培育和發展節能汽車與新能源汽車,既是有效緩解能源和環境壓力,推動汽車產業可持續發展的緊迫任務,也是加快汽車產業轉型升級、培育新的經濟增長點和國際競爭優勢的戰略舉措。為落實國務院關于發展戰略性新興產業和加強節能減排工作的決策部署,加快培育和發展節能與新能源汽車產業?!薄锻ㄖ愤€明確提出:“加快研制動力電池正負極、隔膜、電解質等關鍵材料及其生產?!?#160;

此外,近年來國家頒布的一系列與鋰電池正極材料行業相關的政策文件,如《電動自行車用鋰離子電池產品規格尺寸》、《電池行業清潔生產實施方案》、《節能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》、《分離膜行業“十二五”發展指南》、《關于開展私人購買新能源汽車補貼試點通知》等,均對支持與鼓勵鋰電池及三元材料等的需求產生有效拉動。2015年2月16日,科技部發布了《國家重點研發計劃新能源汽車重點專項實施方案(征求意見稿)》,其中明確要求了2015年底轎車動力電池能量密度要達到200Wh/kg。一時間,更是讓無數人將目光投向了三元材料。

近幾年來,中央深入推進西部大開發戰略,加大了對西部地區新能源、新材料產業發展的支持力度?!秶鴦赵宏P于中西部地區承接產業轉移的指導意見》(國發?2010?28號)指出“發揮國家級經濟技術開發區、高新技術產業開發區的示范帶動作用,承接發展電子信息、生物、航空航天、新材料、新能源等戰略性新興產業。鼓勵有條件的地方加強與東部沿海地區創新要素對接,大力發展總部經濟和研發中心,支持建立高新技術產業化基地和產業“孵化園”,促進創新成果轉化。

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