清华大学-简析新能源锂离子电池技术研究及产业

隔膜材料的研究现状
• 隔膜成本占据锂电池成本的1/3 • 目前使用的隔膜主要以单层聚乙烯 （PE）、单层聚丙烯（PP）以及三层 PP/PE/PP结构的 薄膜为主 新型复合隔膜
常规PP隔膜
• 消费类电子产品要求膜厚16-25微米 • 动力电池要求隔膜厚度40微米
• 优异的安全性 • 特别适用于动力电池
• 循环性能好 • 循环性能优异 • 充电电压高 电导率低（高内阻） • 和电解液相容性差
磷酸铁锂 v.s. 锰酸锂
已经装备或计划装备在主要EV上的锂离子充电电池
数 据 来 源 于 网 络
以 锰 酸 锂 为 主 国外主要汽车厂家选择了目前较为成熟的锰酸锂材料作为动力电池 的正极，主要是基于成本的考虑。磷酸铁锂生产的一致性问题以及高倍 率充放电问题都亟待解决。
仅功率密度有提高，能量密度、重量无明显改善
车用锂离子电池的价值链分析
电池材料生产 单体电池组装 电池组生产 动力模块集成 使用维护
再生利用
动力模块生产
电动汽车动力部件（power train）成本分析
成本 (%)
电池组 发电机 动力控制 单元 逆变器
数据来源Frost & Sullivan 2009
所占成本 正极 隔膜 其它
正极材料占据最 重要的地位，附加 值最大，决定了最 终锂电池产品的性 能指标。
钴酸锂 (LiCoO2)
优点
• 容量大 • 循环性能好 • 工艺成熟稳定
目前获得大规模商业化应用的主流正极材料
缺点
• 安全性差 • 性能提升潜力有限 • 钴资源稀缺（属于我 国严重短缺的九种矿 物之一）
新能源锂离子电池 技术研究及产业发展现状简析
沈洋 博士 清华大学材料科学与工程系
宏观经济政策背景
2010年《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》
节 能 环 保 产 业
新 一 代 信 息 技 术 产 业
新 能 源 产 业
新 能 源 汽 车 产 业
新 材 料 产 业
生 物 产 业
高 端 装 备 制 造 业
隔膜材料的产业现状
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我国隔膜市场 80%以上被进口产品占据，国产隔膜主要供给 中低端市场。
干法单向拉伸工艺经几十年发展已经非常成熟，国内企业受专 利壁垒限制在这方面进展缓慢。 采用湿法双向拉伸工艺制备的隔膜孔径均匀，强度高，但主 要专利也由美日企业控制，已形成专利技术壁垒。 我国有企业采用干法双向拉伸工艺制备隔膜，具有自主知识 产权。截止2009年国内有两家企业采用该工艺生产隔膜，市场 反应积极。
• 锂离子电池材料的研究现状和技术发展方向
• 国内锂离子电池产业的现状（以新能源汽车为例）
锂离子电池具有广泛的应用
高电压
高能量 密度
高功率 密度
长寿命
宽温区 大规模储能电站
（新能源产业）
车用劢力电池 消费类电子产品
（新能源汽车产业）
什么是锂离子电池？
锂离子电池材料的四要素：
正极
负极
隔膜
电解液
正极材料的研究现状
电池组的成本分析
成本(%)
电池材料 外购部件 直接、间接人工 折旧 研发 废品 固定利润 电池材料成本 仅占整个电池组 成本的12%
数据来源Boston Consulting Group 2010
锂离子电池在电动汽车领域 的应用前景展望（个人观点）
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从丰田Prius14年来的历程分析，电池技术、电池成本 并不构成电动汽车发展的绝对限制性因素。 • 虽然动力电池模块成本占据动力单元总成本的绝大部 分，但是电池材料成本在整个动力电池模块中并不占主导 地位。 • 新电池材料体系(磷酸铁锂、新型负极材料等)尚需时日 才能在动力电池领域占据一席之地。 • 电动汽车技术路线受政策环境影响较大。近期国家电网 和南方电网分别表示未来电动汽车以“换电”为主要充电 形式。这将对电池技术的研发 、生产产生深远影响。
电解液的发展方向：全固态
全固态电解质是发展的方向
电解液起火、爆炸是锂离 子电池最大的安全隐患
丰田公司投入巨资进行全固态离子电解质的研究， 国内企业尚未开展相关研究工作。
电解液的产业现状
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我国电解液生产以实现产业化，并基本国产化。
杉杉股份、华荣化工等10余家企业的年产量都在千吨以上。
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电解液的主要原料六氟磷酸锂(LiPF6)占据电解液生产成本的 50%以上，其毛利率高达75%。目前市场被多家日本企业垄断， 我国仍 依赖进口。 电解液市场的下一轮增长有待于动力电池 (主要是电动汽车 用动力电池)的大规模应用。
谢谢
电解液的研究现状
• 电解液成本占据锂电池成本 的12%，毛利率40%左右。
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液态电解液（正极负极 全部泡在液态电解液中）
消费类电子产品用电池主要采 用碳酸乙烯酯(EC)或碳酸丙烯酯 (PC)二元液体电解液。 • 碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲 酯(DMC)显著提高了电池容量和 寿命 • 多元电解液也已经投入商业应 用
新能源二次锂离子电池
宏观经济政策背景
2011年 工信部《新材料产业“十二五”发展规划》
高 强 轻 型 合 金 材 料
高 性 能 钢 铁 材 料
功 能 膜 材 料
新 型 动 力 电 池 材 料
碳 纤 维 复 合 材 料
稀 土 功 能 材 料
新能源二次锂离子电池
提纲
• 锂离子电池的应用 • 锂离子电池的原理
负极材料的研究现状
目前所采用的负极材料具有数倍于正极 材料的容量，不是限制电池性能提高的瓶颈。 目前获得大规模商业化应用的主流负极 材料主要是石墨、乙炔黑、微珠碳和裂解碳 等碳材料。
困扰负极材料的主要问 题是其容量随循环次数增 加衰减较快。解决方法是 制备结构规整的层状材料。
其它新型负极材料：目前均仅具有科学研究价值
正极材料的发展趋势
锰酸锂 (LiMn2O4)
动力电池
磷酸铁锂 （LiFePO4) 钴酸锂(LiCoO2) 通讯、消费类电 子产品电池 镍钴酸锂 （LiNixCo1-xO2) 镍钴锰酸锂 锰酸锂(LiMn 磷酸铁锂（LiFePO 镍钴酸锂（LiNi2Co)4) O2) 镍钴锰酸锂 xO4 1-x
在消费类电子产品电池领域，钴酸锂在未来3-5年内会逐步失 优点 缺点 优点 缺点 优点 缺点 去主导地位，5年之后镍钴锰三元材料体系将成为主流。 在 动力电池领域，磷酸铁锂和锰酸锂之争仍未有定论，磷酸铁 价格便宜 • 比容量低 • 容量高 价格便宜 • 合成条件苛刻、结构不稳定 体积比容量低 ••价格相对便宜 • 合成困难 安全性好 • 循环性能，特别是高温循环性能差 • 安全性好、成本低 安全性好 • 密度低 低温放电性能差 锂能否胜出还取决于相关研究能否出现重大突破。 ••容量较高 • 充放电效率低
SnO/SnO2：循环性能优异
硅纳米线阵列：理论容量高达~1000 mAh
碳纳米管
Hale Waihona Puke Baidu
负极材料的产业现状
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我国丰富的天然石墨资源为负极材料产业发展提供了充分的 资源保障。
负极材料产业化已经比较成熟，深圳贝瑞特、杉杉股份、长 沙海容为国内最大的三家生产企业 。 深圳贝特瑞公司具有年产6000吨人造石墨负极材料的生产能 力，市场占有率达80%以上，产品出口多国。 内蒙古自治区兴和县为全国三大天然石墨 产地之一，内蒙古 瑞盛矿业股份有限公司联合清华大学技术力量生产石墨负极材料。
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小结
锂离子电池在动力电池产业的应用
我国目前电动助力车电池市场中，90%的份额为铅酸蓄电 池所占据，主要是由于铅酸蓄电池成本很低。但是其笨重、高 污染等缺点为锂离子电池提供了潜在的市场机遇。
锂离子电池在动力电池产业的应用
最成功的混合动力车型：丰田Prius。 自1997年问世以来已累计销售超过 180万辆。