中國儲能網(wǎng)訊:鋰電池是透過鋰離子傳導(dǎo),達(dá)到將化學(xué)能轉(zhuǎn)成電能的一種裝置。電池充電時(shí),鋰離子從鋰鈷氧化物中嵌出,透過電解質(zhì)的傳導(dǎo),嵌入負(fù)極碳材中,電池放電時(shí),化學(xué)反應(yīng)則是逆向進(jìn)行。故一個鋰電池運(yùn)作良劣以及質(zhì)量與所選用的材料息息相關(guān)。與鋰電池運(yùn)作優(yōu)劣最直接相關(guān)的材料有正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)..等。
1.正極材料
鋰電池可依正極材料的不同,分為鋰鈷電池(LiCoO2)、鋰錳電池(LiMnO2)、鋰鎳電池(LiNiO2)及磷酸鋰鐵電池(LiFePO4)。當(dāng)中鋰鈷電池以應(yīng)用于手持式裝置電子產(chǎn)品為主,而鋰鎳電池因?yàn)榘踩陨形纯朔?,所以目前生產(chǎn)者以及使用者都很少,而鋰錳電池因?yàn)榫哂械碾娙萘?、安全…等特性,讓其目前廣泛應(yīng)用在手工具當(dāng)中,至于最近發(fā)展的磷酸鋰鐵電池,雖然有相當(dāng)良好的安全性,且被視為應(yīng)用在車輛的明日之星,不過因?yàn)闊Y(jié)不易以及電動車市場未普及的問題,所以目前市場比重仍低。主要正極材料特性的比較如表一。
目前鋰鈷系正極材料仍是主流,但是透過增加鎳、錳等元素進(jìn)一步達(dá)到安全性、電容量以及成本的要求。目前針對所增加的材料不同可以分為三元系的鈷鎳錳材料,以及二元系的鋰鈷鎳材料,其中三元系的鋰鈷鎳錳基于優(yōu)異的安全性可望提升整體市占率,而電容量則是二元系材料表現(xiàn)較佳,待其安全性改善到一定程度,使用的比重必然會提高。所以短期間三元系材料的安全性仍然是優(yōu)于二元系材料,將會漸成為市場主流,但可攜產(chǎn)品最終需求的仍然是電容量高的電池,所以二元系材料在克服安全性疑慮后有機(jī)會成為市場主流。
表一 鋰電池正極材料
2.負(fù)極材料
早期的負(fù)極材料是使用便宜的焦碳、煤渣等經(jīng)過純化及高溫石墨化后成為穩(wěn)定的球型結(jié)構(gòu)石墨,此材料的可逆電容量可以達(dá)到300mAh/g,不過此材料因?yàn)樾枰?jīng)高溫?zé)Y(jié)以石墨化,所以材料成本并不便宜,所以也讓廠商不斷針對碳材持續(xù)改良,此外此材料的電容量也有限制,所以目前負(fù)極材料的開發(fā)是朝向低成本高容量進(jìn)行發(fā)展。
目前的碳系負(fù)極材料可分為人造石墨、改質(zhì)天然石墨以及MCMB(Mesocarbon Micro-beads)基于成本考慮,目前以人造石墨、改質(zhì)天然石墨使用的較多。至于能夠具有相當(dāng)大電容量的金屬化合物,基于循環(huán)壽命以及材料膨脹比率大的缺點(diǎn),所以使用情況并不多。碳系材料有其理論的電容量極限值372mAh/g,而且目前的發(fā)展已接近極限值,所以各個廠商都期望可以透過將負(fù)極材料改質(zhì)成為金屬化合物,以一舉提高鋰電池的電容量。碳系以及金屬化合物的負(fù)極材料比較如表二。
表二 鋰電池負(fù)極材料
3.電解質(zhì)
鋰電池使用的電解質(zhì)可以分為三大類:液態(tài)電解質(zhì)、高分子電解質(zhì)以及固態(tài)電解質(zhì)。液態(tài)電解質(zhì)由于含有有機(jī)溶劑,使用上易有漏液以及爆炸的危險(xiǎn)。高分子電解質(zhì)含有少量或不含有機(jī)溶劑,可以提高電池的安全性,并降低漏液以及爆炸的機(jī)會。固態(tài)電解質(zhì)是三種電解質(zhì)中安全性最好的,但是由于為固態(tài)故離子導(dǎo)電度不佳。三種電解質(zhì)中商品化的為液態(tài)電解質(zhì)以及高分子電解質(zhì),至于固態(tài)電解質(zhì)目前仍為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品,不易大量商品化。
高分子電解質(zhì)一般多為膠態(tài),可以減少漏液的情況,并且也可使用鋁箔薄膜封裝,省去了金屬外殼的重量,重量可以更輕,且可以配合可攜式裝置,外觀大小更具有彈性。
目前可攜式裝置中出貨量最大,對cell需求量最多的手機(jī),目前已大量采用高分子電解質(zhì),至于需求量第二大的NB產(chǎn)品,目前約有二成的產(chǎn)品也已采用高分子電解質(zhì),尤其在Apple采用電池內(nèi)置后,更興起系統(tǒng)廠采用高分子電池的興趣,未來鋰高分子的出貨量會更增加。三種電解質(zhì)的比較如表三。
表三 鋰電池電解質(zhì)比較
鋰電池材料市場重大事件分析
1.磷酸鋰鐵材料戰(zhàn)爭
電動車市場的龐大潛力,讓不少電池相關(guān)業(yè)者積極投入,且也都在近年進(jìn)行擴(kuò)廠規(guī)劃,目前各項(xiàng)正極材料中,最受到看好的就是磷酸鋰鐵材料,此材料具有材料充足、高熱穩(wěn)定性以及材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性佳的優(yōu)點(diǎn),所以備受看好,目前包括歐美、我國廠商以及中國大陸廠商都積極投入。
磷酸鋰鐵材料在美國的專利歸屬問題是讓各國廠商最擔(dān)心的問題,包括專利訴訟、權(quán)利金給付對象究竟是歸屬于HQ、Phostech、德州大學(xué)的Goodenough、還是日本的NTT都是讓各國廠商持保留態(tài)度的原因。
不過當(dāng)前已有不少我國、中國大陸以及歐美廠商進(jìn)行研發(fā),顯見雖然有市場上的紛爭,可是不少廠商都還是實(shí)行鴨子劃水的態(tài)度,低調(diào)的進(jìn)行,因?yàn)槌嗣绹猓渌鼑业氖袌鲂枨罅窟€是相當(dāng)龐大的。
2.高電容量與高安全性間難以取舍
可攜裝置用鋰電池追求的就是電池高容量以達(dá)到長時(shí)間的使用,滿足任何消費(fèi)者對任何可攜裝置一日運(yùn)作之所需,鋰電池若要成就高容量,必然的做法就是由正、負(fù)極材料下手進(jìn)行改良,不過鋰電池材料改良談何容易,近十年間,鋰電池的正極材料單位電容量也僅提升50%,當(dāng)然最快的做法就是找尋新材料以替代當(dāng)前的鋰鈷材料,不過一項(xiàng)新材料的開發(fā)到量產(chǎn)再到大量商品化,當(dāng)中耗時(shí)需數(shù)十年。
要提升當(dāng)前鋰電池電容量的做法有將正極材料改為鋰鎳錳、或是將負(fù)極材料改為合金系,不過這二種做法的安全性目前都有疑慮,不過當(dāng)然廠商會期望朝向高容量發(fā)展,可是若是過份激進(jìn)的轉(zhuǎn)用新材料則有可能在安全性議題上招致反效果。畢竟電池的短路及過熱最嚴(yán)重不單單是損壞電子產(chǎn)品本身,也有可能會危及消費(fèi)者的人身安全。
所以不少的廠商對于新材料的應(yīng)用,初期都是采用少量生產(chǎn)、限定區(qū)域銷售的方式進(jìn)行,以時(shí)間換取空間,透過累積的銷售量來驗(yàn)證電池的安全性,隨著累積銷售量增加,得到驗(yàn)證的信服度提升,以做為擴(kuò)大銷售的基礎(chǔ)。利用時(shí)間做為交換高電容量及安全性兼?zhèn)涞幕A(chǔ)。
3.配合潛力車用市場擴(kuò)廠規(guī)劃
所有的鋰電池材料廠商在近年都不約而同看好車用市場的興起,不斷的有擴(kuò)廠計(jì)劃,包括三菱化學(xué)規(guī)劃投資車用電池的正極材料、負(fù)極材料、隔離膜..等材料,并也在四日市增加生產(chǎn)設(shè)備、東芝重回電池市場、住友化學(xué)也規(guī)劃將愛嬡工廠的隔離膜產(chǎn)能擴(kuò)大到2500萬平方公尺…以上種種作為都是因?yàn)榇蠹铱匆惠vHybird的車子所使用的電池?cái)?shù)量會是NB的廿倍以上,而一臺EV所使用的電池?cái)?shù)量更有機(jī)會達(dá)到NB一千倍以上所致。當(dāng)然事前的準(zhǔn)備是有其需求的,才不會在市場到來時(shí)不及供應(yīng)。但是對于車用市場到達(dá)的時(shí)間掌握,以及產(chǎn)能開出的控制會影響到整個市場供需平衡,能否各個廠商有默契不陷入價(jià)格戰(zhàn)是相當(dāng)重要的。