電池大家都經(jīng)常見到,鋰電池也不陌生,說起鋰電池的應(yīng)用,很多人也可以說出個(gè)一二三來,比如手機(jī)、電動(dòng)車、充電寶等等。但是真正涉及到鋰電池發(fā)展的歷史、鋰電池都有哪些分類、我國鋰電池的行業(yè)地位、鋰電池行業(yè)的格局、未來發(fā)展趨勢等等,就很少有人能說清楚了。今天,我們就來一起探討下鋰電池這個(gè)已經(jīng)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位的產(chǎn)物。
一、鋰電池的發(fā)展歷史
鋰電池的發(fā)展史并不長,但已經(jīng)成為了如今世界經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的重要參與者。
1912年,金屬鋰電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。
1970年,代??松腗.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料,金屬鋰作為負(fù)極材料,制成首個(gè)鋰電池。
1980年,J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。
1982年,伊利諾伊理工大學(xué)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性,此過程是快速的,并且可逆。與此同時(shí),采用金屬鋰制成的鋰電池,其安全隱患備受關(guān)注,因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。
1983年,M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料,具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰,即使出現(xiàn)短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。
1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。
1991年,索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。
1996年,Padhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽,如磷酸鋰鐵(LiFePO4),比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性,因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。
隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用,鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,并在逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。
1998年,天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。
2018年7月15日,從科達(dá)煤炭化學(xué)研究院獲悉,一種由純碳作為主要成分的高容量高密度鋰電池用特種碳負(fù)極材料在該院問世,這種由全新材料制備的鋰電池可以實(shí)現(xiàn)汽車?yán)m(xù)航里程突破600公里。
2018年10月,南開大學(xué)梁嘉杰、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學(xué)賴超課題組合作成功制備了具有多級結(jié)構(gòu)的銀納米線—石墨烯三維多孔載體,并負(fù)載金屬鋰作為復(fù)合負(fù)極材料。這一載體可抑制鋰枝晶產(chǎn)生,從而可實(shí)現(xiàn)電池超高速充電,有望大幅延長鋰電池“壽命”。該研究成果在最新一期《先進(jìn)材料》上發(fā)表。
2022年上半年,我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)主要指標(biāo)實(shí)現(xiàn)高速增長,產(chǎn)量超過280吉瓦時(shí),同比增長150%。
2022年9月22日上午,由中國航天科技集團(tuán)四院自主研制并合格交付用戶的國內(nèi)首個(gè)直徑3.0米新能源鋰電銅箔核心裝備陰極輥新產(chǎn)品在西安面市,填補(bǔ)了國內(nèi)行業(yè)技術(shù)空白,實(shí)現(xiàn)了大直徑陰極輥的月產(chǎn)能力突破百臺大關(guān),標(biāo)志著中國超大直徑陰極輥制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破。
二、鋰電池的分類
鋰電池具有能量比高、使用壽命長、額定電壓高、具備高功率承受力、自放電率低、重量輕、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)、綠色環(huán)保等特點(diǎn),其大致可以分金屬鋰電池和鋰離子電池兩大類。
(一)鋰離子電池;
鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱,是一種二次電池,也就是我們常說的充電電池。鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中,Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時(shí),Li+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。
鋰離子電池的主要組成部分有:
1、正極——活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰材料,比如電動(dòng)自行車普遍用鎳鈷錳酸鋰或者再加少量錳酸鋰,純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導(dǎo)電極流體使用的是厚度10--20微米的電解鋁箔。
2、隔膜——一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結(jié)構(gòu),可以讓鋰離子自由通過,而電子不能通過。
3、負(fù)極——活性物質(zhì)為石墨,或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳,導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。
4、有機(jī)電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,聚合物的則使用凝膠狀電解液。
5、電池外殼——分為鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼、鋁塑膜等,還有電池的蓋帽,也是電池的正負(fù)極引出端。
鋰離子電池由于其相較于金屬鋰電池更安全的特性,成為目前市場上主要的鋰電池產(chǎn)品,甚至在很多人的認(rèn)知中,鋰電池就是指的鋰離子電池。
(二)固態(tài)鋰電池;
固態(tài)鋰電池是用金屬鋰作為電極的一種儲能電池,比能量極高,可以分為一次性電池和可充電固態(tài)鋰電池。
一次性固態(tài)鋰電池跟普通干電池的原理一樣,它是用金屬鋰作為電極,通過金屬鋰的腐蝕或叫氧化來產(chǎn)生電能的,用完就廢了,不能充電。
至于可充電固態(tài)鋰電池,在實(shí)際應(yīng)用的過程中依舊面臨著許多難點(diǎn)。鋰金屬具有較高反應(yīng)活性,容易與有機(jī)電解液反應(yīng)生成Li2CO3、LiOH、Li2O、Li3N、LiF等無機(jī)產(chǎn)物和ROCO2Li、ROLi、RCOO2Li(R是烷基官能團(tuán))等有機(jī)產(chǎn)物。這些反應(yīng)會導(dǎo)致鋰金屬和電解液的利用率降低,并會伴隨著大量的氣體產(chǎn)生,容易引發(fā)鋰金屬電池的安全隱患。
此外還有固態(tài)鋰電池的鋰枝晶帶來的影響。枝晶可在鋰表面堆積,滲透到固體電解液中,最終從一個(gè)電極交叉到另一個(gè)電極,使電池短路,進(jìn)而引發(fā)一些安全事故。
三、鋰電池領(lǐng)域的世界格局
(一)鋰電池領(lǐng)域中國從追趕者成為領(lǐng)先者;
與很多高端產(chǎn)業(yè)歐美處于領(lǐng)先地位不同,鋰電池領(lǐng)域多年來始終是亞洲處于主導(dǎo)地位,在這期間,亞洲國家之間的格局也發(fā)生了巨大變化。
2000年以前,日本鋰電池企業(yè)總體銷售額占全球銷售額的93%可以說處于絕對的壟斷地位。
2000年之后,以手機(jī)和MP3等消費(fèi)電子為代表的韓國企業(yè)快速成長,蠶食了大量日本企業(yè)的鋰電池市場份額,2010年日本企業(yè)的市場份額只占43%,韓國企業(yè)則占了39%。期間,由于中國擁有巨大的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場,以及龐大的人口紅利,日韓企業(yè)也紛紛向中國投放新的產(chǎn)能,在這個(gè)過程中催生了一批國產(chǎn)鋰電池企業(yè)。
2011年之后,消費(fèi)鋰電池發(fā)展進(jìn)入成熟階段,市場需求飽和增速放緩。動(dòng)力鋰電池又成為了新戰(zhàn)場,這是一個(gè)比消費(fèi)電池更大的市場。
2015年以來,中國新能源汽車的增長,數(shù)據(jù)顯示,今年10月,中國新能源汽車?yán)^續(xù)保持高速增長,月度產(chǎn)量和銷量分別同比增長87.6%和81.7%達(dá)到76.2萬輛和71.4萬輛,市場占有率達(dá)到28.5%,再創(chuàng)新高。朝著這個(gè)趨勢發(fā)展,預(yù)計(jì)中國全年的銷量或達(dá)到600萬輛。而這不僅意味著中國將提前三年完成國家規(guī)劃2025年的目標(biāo),而且還有可能超過其他國家的銷量總和。新能源汽車的增長也催生了動(dòng)力電池的市場需求,中國已成為全球最大的動(dòng)力電池需求市場。
如今,中國在鋰電池市場已經(jīng)處于領(lǐng)先地位。國際能源署公布的報(bào)告顯示,中國占全球鋰化學(xué)品供應(yīng)量的60%以上,還生產(chǎn)了全球3/4的鋰離子電池。本來由日韓壟斷的鋰電池市場,也逐漸出現(xiàn)了越來越多的中國企業(yè)名字。
(二)全球鋰電池產(chǎn)能主要集中在亞洲地區(qū);
目前,全球鋰電池的產(chǎn)能主要集中在亞洲地區(qū)中的中日韓三個(gè)國家,全球前十的鋰電池企業(yè)也被這三個(gè)國家包攬,這十家企業(yè)包攬了全球電池產(chǎn)能的92%。