1 什么是鋰離子電池
 
    鋰離子電池(Lithium  Ion  Battery，縮寫為LIB)，又稱鋰電池。鋰電池分為液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)2類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。電池正極采用鋰化合物LiCoO2或LiMn2O4，負極采用鋰-碳層間化合物。

    鋰電池是迄今所有商業(yè)化使用的二次化學電源中性能最為優(yōu)秀的電池，這也是促進鋰電池用于電動助力車的一個關鍵因素。

    1.1 比能量高

    無論是體積比能量，還是重量比能量，鋰電池均比鉛酸蓄電池高出三倍以上。由此決定了鋰電池體積更小、重量更輕，其市場消費感覺很好。

    1.2 循環(huán)壽命長

    鋰電池用于電動助力車的循環(huán)壽命一般在800次以上，采用磷酸鐵鋰正極材料的鋰電池可以達到2000次左右，超出鉛酸蓄電池1.5倍至5倍以上。這大大降低了鋰電池的使用成本，提高了消費者的使用便利程度。

    1.3 具有較寬的充電功率范圍

    這是鋰電池具有的獨特優(yōu)勢。在需要時，可以使充電時間控制在20～60min，充電效率達到85%以上。在進一步技術創(chuàng)新的基礎上，這一特性得到更好的發(fā)揮，可以具有很好的商業(yè)價值。

    1.4 倍率放電性能好

    鋰電池的倍率放電可以達到10倍率以上，特殊制作可以達到30倍率。這一特性非常有利于電動助力車的智能控制騎行技術的發(fā)展。只是目前對這一特性尚未有很好的開發(fā)與利用。

    我國鋰離子電池產(chǎn)量全球第一，生產(chǎn)量占世界總量的1/3以上，100多家鋰電生產(chǎn)企業(yè)對鋰離子電池材料需求殷切，不少廠商都計劃在今后2年內(nèi)把產(chǎn)量大幅提高。目前，中國鋰電制造企業(yè)形成了液態(tài)鋰電池以比亞迪為首，聚合物鋰電以TCL電池為首的兩大巨頭。TCL電池完成了聚合物鋰離子電芯從技術研發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn)的全過程，并且迅速走到了這項技術的最前沿。TCL生產(chǎn)的聚合物鋰電芯在電池電化學阻抗、能量密度、高低溫放電等方面均已躋身世界一流行列，比亞迪是液態(tài)鋰離子電池的老大，而TCL則是新一代聚合物鋰離子電池的老大，聚合物鋰電比液態(tài)鋰電具有優(yōu)勢。

    2 鋰電池的原材料

    鋰離子電池由正負電極、電解質(zhì)、聚合物隔離膜及保護電路芯片組成，鋰電池的上游有正極材料、負極材料、隔膜、電解液、鋰資源等。其使用的材料見表1。

    2.1 正極材料

    電池的發(fā)展史，正是一部材料科技的進步史。工藝的改進使電池量變，新材料的發(fā)明促使電池質(zhì)變?？梢灶A見的是，采用含有鋰元素的導體材料（離子化合物、聚合物）作為電極材料是高能電池的最佳選擇。

    鋰電池根據(jù)正極材料不同，可分為磷酸鈷鋰、磷酸錳鋰、磷酸鐵鋰三種。磷酸鈷鋰由于鈷價高昂而被放棄；磷酸錳鋰相較于磷酸鐵鋰，在安全性和使用壽命方面不高；在可預見的將來，磷酸鐵鋰將成為鋰電池的主要正極材料。通用的Volt和比亞迪的F3DM都采用磷酸鐵鋰電池。隨著錳酸鋰和磷酸鐵鋰等極具發(fā)展前途的正極材料的技術進步，其在動力電池領域也開始了擴張的步伐。

    貝特瑞公司是鋰電池碳負極材料和磷酸鐵鋰正極材料的龍頭。貝特瑞在國內(nèi)擁有40多項鋰電池正負極材料專利，2008年銷售額1.8個億，凈利潤3000萬，預計2009年全部銷售額4億～5億元，2010年8億～10億元，同比保持100%歷史增速。

    2.2 負極材料

    目前業(yè)界對負極材料的研究相對較少，其實負極與正極對鋰離子電池具有同等的重要性。在正、負極材料的選擇上，正極材料必須選擇高電位的嵌鋰化合物，負極材料必須選擇低電位的嵌鋰化合物。

    目前，開發(fā)和使用的鋰離子電池負極材料主要有石墨、軟碳(soft Carbon)、硬碳(Hard Caobon)等。在石墨中有天然石墨、人造石墨、石墨碳纖維。在軟碳中常見的有石油焦、針狀焦、碳纖維、中間相碳微球(Mesocarbon Microbends，縮寫MCMB)等。硬碳是指高分子聚合物的熱解碳。常見的有樹脂碳、有機聚合物熱解碳、碳黑等。

    目前除石墨材料外，其他各類材料都還存在一些尚未解決的難題，目前還不能應用于LIB的生產(chǎn)。例如無序炭盡管放電容量很大，但不可逆容量也很大，而且電位滯后現(xiàn)象嚴重，即Li+嵌入的電位接近0V而Li+脫出的電位接近1V，與無序炭類似。B-C-N系化合物和C-Si-O系化合物的放電曲線為——“斜坡”，不象石墨材料那樣在低電位處有一個電位平臺。過渡金屬氧化物用作LIB負極活性材料時的主要問題是不可逆容量大和充、放電電位平臺高。鋰一過渡金屬氮化物則由于其對空氣濕度的敏感，因此實際應用仍受到限制。至于鋰合金材料則因在合金化過程中體積膨脹率太大，致使電極材料在反復充、放電時粉化、導電網(wǎng)絡中斷，因此循環(huán)性能很差。對這些問題還有待進一步的研究，以求獲得更新更好的負極材料。

    2.3 電解液

    電解液是鋰電池四大關鍵材料之一，號稱鋰電池的“血液”，是鋰電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證；作為鋰離子電池必需的關鍵材料，鋰離子電池電解液的發(fā)展取決于鋰離子電池的發(fā)展。鋰電池電解液是由六氟磷酸鋰（LiFL6）加上有機溶劑配成，六氟磷酸鋰由五氯化磷和溶解在無水氟化氫中的氟化鋰反應結晶而成。其供貨商主要在國外，如德國Merck公司和日本Stella公司，且質(zhì)量較好。我國是繼日本之后成為全球第二個產(chǎn)業(yè)化六氟磷酸鋰的國家，國內(nèi)有金光高科有限公司、天津化工設計研究院、山東肥城市興泰化工廠等企業(yè)能生產(chǎn)。

    2007年，江蘇國泰鋰電池電解液的產(chǎn)量為2490t，已經(jīng)達到世界第二的水平。目前，華榮化工、日本宇部、韓國三星是全球鋰電池電解液產(chǎn)能最大的3家企業(yè)。江蘇國泰的鋰電池電解液業(yè)務已經(jīng)占營業(yè)利潤的30%，發(fā)展成為公司利潤新的增長點。而2009年公司新增產(chǎn)能投產(chǎn)后，華榮化工鋰電池電解液的產(chǎn)能將達到3000t/年。

    巨化股份擁有六氟磷酸鋰全套生產(chǎn)技術，并供應六氟磷酸鋰上游原料無水氟化氫，巨化股份公司網(wǎng)站和巨化股份在浙江衢州統(tǒng)籌的招商引資項目中都有六氟磷酸鋰項目，鋰離子電池的興旺將拉動上游電解液六氟磷酸鋰的氟化工產(chǎn)業(yè)鏈，巨化股份正迎來機遇。

    據(jù)估算每輛新型動力汽車需碳酸鋰約為30kg,假設2009年起全球新增1%的乘用車使用鋰電池,此后逐年遞增1%。按2007年全球產(chǎn)銷規(guī)模約5000萬輛為基數(shù),依此推算,每年新增碳酸鋰需求將達數(shù)萬噸。目前全球碳酸鋰供需基本平衡,如因新型動力電池而出現(xiàn)需求的跳躍式增長,碳酸鋰的供需平衡將被徹底打破，市場規(guī)模的急劇擴大,將給現(xiàn)有碳酸鋰生產(chǎn)企業(yè)帶來革命性變化。

    2.4 隔離膜

    隔離膜材料占鋰離子電池成本的1/3左右。鋰離子電池隔離膜一般采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)單層微孔膜,以及由PP和PE復合的多層微孔膜作為隔離膜,以聚丙烯為例,其原料成本約8千元/噸,而將其加工成隔膜后,其價值可達到300萬元/噸,大幅升值幾百倍。

    2.5 電池保護IC

    鋰電池在使用過程中，過充電、過放電和過電流都會影響電池使用壽命和性能，嚴重者會導致鋰電池燃燒、爆炸，現(xiàn)已出現(xiàn)手機鋰電池爆炸致人傷亡的案例，經(jīng)常出現(xiàn)IT和手機廠家召回鋰電池產(chǎn)品的事件。所以每塊鋰電池都要安裝一塊安全保護板，由一塊專用IC和若干個外部元件組成，通過保護環(huán)路有效監(jiān)測并防止對電池產(chǎn)生損害，防止過充、過放和短路造成的燃燒、爆炸等危險。由于每個鋰離子電池中都要安裝一片電池保護IC，鋰電池保護IC市場大得驚人，每年有幾十億美元的市場，專業(yè)的微電子生產(chǎn)商士蘭微集團是生產(chǎn)“鋰電池保護電路芯片”的龍頭企業(yè)，公司生產(chǎn)的鋰電池保護用集成電路，可比日本理光的產(chǎn)品媲美，而價格卻低得多，市場潛力很大。

    由于鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化，因而降低可充電次數(shù)。鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流／短路保護和過放電保護，要求過充電保護高精密度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。士蘭微已開發(fā)了SA1412型號雙節(jié)鋰電池保護電路、SA45141型號3節(jié)或4節(jié)鋰電池保護電路、SC8261G型號單節(jié)鋰電池保護電路、SC121型號內(nèi)置延時電容單節(jié)鋰電池保護電路、SC8201型號單節(jié)鋰電池保護電路、SC8821型號內(nèi)置MOSFET的單節(jié)鋰電池保護芯片，其中SA1412是鋰電池保護用集成電路。當鋰電池處于過放電、過充電以及過電流時，對鋰電池起到保護作用。SC8821是內(nèi)置MOSFET的單節(jié)鋰電池保護芯片，為避免鋰電池因過充電、過放電、電流過大導致電池壽命縮短或電池被損壞而設計的，SC8821具有高精確度的電壓檢測與時間延遲功能。

    鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要，否則嚴重者會導致燃燒、爆炸，致人傷亡，所以通常都會在電池包內(nèi)設計保護線路用以保護鋰電池，鋰電池保護電路芯片是每一塊鋰電池的保護神，市場前景非常廣闊。

    3 鋰電池發(fā)展的障礙

    鋰離子電池也存在許多缺陷：循環(huán)壽命短，充電電路復雜，對電池內(nèi)部保護電路的要求很高等，尤其對全密封鋁殼封裝的鋰離子電池來說，在其安全保護的設計上存在一個極其致命的缺陷。

    3.1 資源緊缺

    地殼中鋰元素的比例約為0.0065%，其豐度在各種元素中居第27位。海水中鋰的總儲量達2600億t，但濃度太小，提煉困難。世界鹽湖鋰資源主要分布在智利、阿根廷、中國及美國?；◢弬ゾr鋰礦床主要分布在澳大利亞、加拿大、芬蘭、中國、津巴布韋、南非和剛果。印度和法國也發(fā)現(xiàn)偉晶巖鋰礦床，但是不具有商業(yè)開發(fā)價值，目前世界上只有少數(shù)國家擁有可經(jīng)濟開發(fā)利用的鋰資源。

    中南大學化學電源與材料研究所所長唐有根表示，即便是鋰的成本和安全性的問題全部解決了，今后用鋰電池替代汽油的話，也滿足不了全部需求，因為這相當于用一種緊缺的資源去替代另一種緊缺的資源。

    3.2 冶煉污染

    鋰離子電池中含有的六氟磷酸鋰、聚丙二乙烯(醇)等化學物質(zhì)會對環(huán)境造成有機污染。其含有的鈷等重金屬元素，也會對環(huán)境會造成危害，尤其是鈷，含量相對較高，屬于稀有貴重金屬，具有很高的回收價值。雖然鋰電池本身的污染并不嚴重，但鋰金屬在提取冶煉過程中，對環(huán)境的污染不亞于汽油產(chǎn)生的污染。金屬鋰的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有熔鹽電解法和真空熱還原法。熔鹽電解法系采用氯化鋰為原料，在熔融電解槽內(nèi)電解時分解為金屬鋰和氯氣，在陰極析出鋰，在陽極析出氯氣。電解進行時，氯化鋰離解為鋰離子，向陰極移動并放電，形成的金屬鋰通過熔鹽逐漸上升到電解槽表面或到鋰收集室。在陽極析出的氯氣通過熔鹽上升至出口排出或收集。該法的最大缺點是電解時產(chǎn)生氯氣污染嚴重，且產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，生產(chǎn)成本高。

    3.3 安全問題

    專家認為，市場上多半使用的高容量鋰電池由于化學成分的不同，在發(fā)生質(zhì)量問題時，容易出現(xiàn)爆炸傷人事故。而相對安全的是鎳氫和鎳鎘電池。鋰元素過于活躍，它使用時不太安全，經(jīng)常會在充電時出現(xiàn)燃燒、爆裂的情況，后來經(jīng)過改進型的鋰離子電池，加入了能抑制鋰元素活躍的成分，從而使鋰電提高安全標準和高效。

    在鋰電池發(fā)展過程中，因為采用的正負極材料及其配方不同，出現(xiàn)過爆炸、燃燒等不安全現(xiàn)象。主要是負極采用金屬鋰，經(jīng)循環(huán)后產(chǎn)生枝晶，致使短路，出現(xiàn)燃燒爆炸；而正極材料采用鈷酸鋰或鎳鈷鋰等，其化學活潑性較高，在石墨負極的配合下，一旦出現(xiàn)高溫，容易發(fā)生爆炸燃燒。盡管實際發(fā)生的概率在十萬分之一或百萬分之一以上，但由于以手機及筆記本電腦等為主的電子消費品數(shù)量極大，使用范圍極廣，因此累計發(fā)生的安全事故絕對數(shù)量使人們感覺很多。由于這些電子消費品是人們?nèi)粘Ｉ钕喟?，不可或缺的用品，一旦發(fā)生安全問題，影響很大，致使人們“談鋰電池色變”。這種在電子數(shù)碼產(chǎn)品中使用的鋰電池的安全問題形成一種成見，開始影響電動助力車用鋰電池。

    鋰離子電池的安全設計過分依賴其內(nèi)部電子安全保護芯片，而沒有設置必要的物理安全保護措施。在充電以及使用的過程中，一旦出現(xiàn)其安全保護芯片失效的故障，后果是不堪設想的，輕則出現(xiàn)電池內(nèi)部氣體積聚引起電池體漲鼓現(xiàn)象，重則可能因為發(fā)生電池內(nèi)部短路等等異常而導致電池爆炸的悲劇發(fā)生。

    3.4 成本問題

    相對于鉛酸蓄電池，鋰電池用于電動助力車的成本較高是一個突出的特點，也是影響鋰電池大規(guī)模替代鉛酸蓄電池用于電動助力車的關鍵。鋰電池的正極材料、負極材料、集流體、隔膜、電解質(zhì)等主材價格比鉛酸蓄電池高出很多，其組裝輔材和外部電路系統(tǒng)成本則是鉛酸蓄電池幾乎沒有的。雖然鋰電池由于能量遠高于鉛酸蓄電池，因此單位功率的原輔材料成本并沒有表現(xiàn)出來的成本差距那么大，但是二者的材料成本差距確實存在，而且差距以倍數(shù)計。由于制作工藝的原因，鋰電池的人工成本比較高。在制造成本中，鋰電池的人工成本占40%以上，而鉛酸蓄電池的人工成本一般為10%～20%。鋰電池在生產(chǎn)中大部分過程是不可逆的，而鉛酸蓄電池是可逆修復的，因此鋰電池的總體合格率較低。鉛酸蓄電池使用之后的回收價值在40%以上，而鋰電池的回收價值幾乎是零。

    4 鋰電池的市場前景

    目前動力電池主要是鎳氫電池和鋰電池2種形式，混合動力電池目前多采用鎳氫材料，但由于鎳氫電池的一些技術性能已經(jīng)接近理論極限值，因此并不被認為是未來的發(fā)展方向。相對而言，鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量密度大、無記憶效應、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，得到廣泛的認可。

    自從商業(yè)化以來，鋰離子電池不斷攻城略地，已在便攜式電器如手提電腦、攝像機、移動通訊中得到普遍應用。鋰電池電解液目前主要用于手機、數(shù)碼相機、手提電腦等電子產(chǎn)品以及礦燈，約占鋰離子全部使用量的90%；已經(jīng)獨霸手機和手提電腦等高端市場，成為各類電子產(chǎn)品的主力電源。電子產(chǎn)品、礦燈等用鋰電池的需求將保持每年10%的穩(wěn)定增長。

    目前開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用。雷天鋰離子動力電池與汽車產(chǎn)業(yè)巨頭一汽集團合作，重點開發(fā)鋰離子電動商務中巴、鋰離子電動豪華大巴、鋰離子電動城市大巴3種車型，并在長春和無錫生產(chǎn)基地投產(chǎn)，計劃2009年大批量生產(chǎn)。安裝“雷天”鋰離子動力電池的大客車，充電20min即可以130km時速行駛300km左右路程，而每行駛100km耗電僅18度。日本及海外汽車廠商紛紛開始在乘用車上采用鋰離子充電電池。在日本國內(nèi)廠商中，豐田汽車、富士重工業(yè)、三菱汽車已經(jīng)決定采用，而在歐美，戴姆勒也表示采用。德國奧迪、美國通用汽車也準備在2010年采用。

    在目前的混合動力汽車及未來的電動汽車所采用或?qū)⒉捎玫碾姵刂校嬖谥嚉潆姵嘏c鋰電池之爭。與鋰電池相比，鎳氫電池具有續(xù)航能力不足以及不能外插式充電等缺陷。市場分析人士認為，隨著鋰電池技術的提高，以及大規(guī)模制造導致成本降低，未來有可能替代鎳氫產(chǎn)品成為HEV動力電池的主流。鋰電池代表的是混合動力汽車動力電池的未來，而目前從成本和商業(yè)化的角度看，更現(xiàn)實的選擇是鎳氫電池。鎳氫動力電池剛剛進入成熟期，是目前混合動力汽車所用電池體系中唯一被實際驗證并被商業(yè)化、規(guī)?；碾姵伢w系，全球已經(jīng)批量生產(chǎn)的混合動力汽車全部采用鎳氫動力電池體系。

    現(xiàn)有混合動力電池99%的市場份額為鎳氫動力電池，商業(yè)化的代表是豐田的普銳斯。預計，到2020年前，非鎳氫混合動力電池的占有市場份額不到20%，鎳氫混合動力電池的市場前景看好。在未來的8～10年，鎳氫動力電池仍是新型混合動力汽車的動力電池體系的主導產(chǎn)品。

    有關專家曾樂觀地預期，至2016年鋰離子電池市場總產(chǎn)值有望挑戰(zhàn)100億美元。預計將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一，并將在人造衛(wèi)星、航空航天和儲能方面得到應用。其未來的市場前景十分廣闊，被視為21世紀發(fā)展的理想能源。作為伯克希爾·哈撒韋公司的董事長，世界股神沃倫·巴菲特就曾劍指新能源動力。2008年9月巴菲特旗下的中美能源宣布以2.32億美元購入比亞迪約2.25億股，鋰電池的魅力由此可見一斑。