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(fù)極的二次電池。電池正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2或LiMn2O4，負(fù)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(xué)電源中性能最為優(yōu)秀的電池，這也是促進(jìn)鋰電池用于電動(dòng)助力車的一個(gè)關(guān)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(chǎng)消費(fèi)感覺很好。

    1.2 循環(huán)壽命長

    鋰電池用于電動(dòng)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(dá)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(fèi)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。在需要時(shí)，可以使充電時(shí)間控制在20～60min，充電效率達(dá)到85%以上。在進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，這一特性得到更好的發(fā)揮，可以具有很好的商業(yè)價(jià)值。

    1.4 倍率放電性能好

    鋰電池的倍率放電可以達(dá)到10倍率以上，特殊制作可以達(dá)到30倍率。這一特性非常有利于電動(dòng)助力車的智能控制騎行技術(shù)的發(fā)展。只是目前對(duì)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(duì)鋰離子電池材料需求殷切，不少廠商都計(jì)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(shù)研發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn)的全過程，并且迅速走到了這項(xiàng)技術(shù)的最前沿。TCL生產(chǎn)的聚合物鋰電芯在電池電化學(xué)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(shì)。

    2 鋰電池的原材料

    鋰離子電池由正負(fù)電極、電解質(zhì)、聚合物隔離膜及保護(hù)電路芯片組成，鋰電池的上游有正極材料、負(fù)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(jìn)步史。工藝的改進(jìn)使電池量變，新材料的發(fā)明促使電池質(zhì)變。可以預(yù)見的是，采用含有鋰元素的導(dǎo)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(jià)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(yù)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(shù)進(jìn)步，其在動(dòng)力電池領(lǐng)域也開始了擴(kuò)張的步伐。

    貝特瑞公司是鋰電池碳負(fù)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(xiàng)鋰電池正負(fù)極材料專利，2008年銷售額1.8個(gè)億，凈利潤3000萬，預(yù)計(jì)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(fù)極材料

    目前業(yè)界對(duì)負(fù)極材料的研究相對(duì)較少，其實(shí)負(fù)極與正極對(duì)鋰離子電池具有同等的重要性。在正、負(fù)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(fù)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(fù)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(jī)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(yīng)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(yán)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(gè)電位平臺(tái)。過渡金屬氧化物用作LIB負(fù)極活性材料時(shí)的主要問題是不可逆容量大和充、放電電位平臺(tái)高。鋰一過渡金屬氮化物則由于其對(duì)空氣濕度的敏感，因此實(shí)際應(yīng)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(fù)充、放電時(shí)粉化、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中斷，因此循環(huán)性能很差。對(duì)這些問題還有待進(jìn)一步的研究，以求獲得更新更好的負(fù)極材料。

    2.3 電解液

    電解液是鋰電池四大關(guān)鍵材料之一，號(hào)稱鋰電池的“血液”，是鋰電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證；作為鋰離子電池必需的關(guān)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(jī)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(yīng)結(jié)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(gè)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(shè)計(jì)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(dá)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(wù)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(diǎn)。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(dá)到3000t/年。

    巨化股份擁有六氟磷酸鋰全套生產(chǎn)技術(shù)，并供應(yīng)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(xiàng)目中都有六氟磷酸鋰項(xiàng)目，鋰離子電池的興旺將拉動(dòng)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(jī)遇。

    據(jù)估算每輛新型動(dòng)力汽車需碳酸鋰約為30kg,假設(shè)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(dá)數(shù)萬噸。目前全球碳酸鋰供需基本平衡,如因新型動(dòng)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(chǎng)規(guī)模的急劇擴(kuò)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(fù)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(jià)值可達(dá)到300萬元/噸,大幅升值幾百倍。

    2.5 電池保護(hù)IC

    鋰電池在使用過程中，過充電、過放電和過電流都會(huì)影響電池使用壽命和性能，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致鋰電池燃燒、爆炸，現(xiàn)已出現(xiàn)手機(jī)鋰電池爆炸致人傷亡的案例，經(jīng)常出現(xiàn)IT和手機(jī)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(hù)板，由一塊專用IC和若干個(gè)外部元件組成，通過保護(hù)環(huán)路有效監(jiān)測(cè)并防止對(duì)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(xiǎn)。由于每個(gè)鋰離子電池中都要安裝一片電池保護(hù)IC，鋰電池保護(hù)IC市場(chǎng)大得驚人，每年有幾十億美元的市場(chǎng)，專業(yè)的微電子生產(chǎn)商士蘭微集團(tuán)是生產(chǎn)“鋰電池保護(hù)電路芯片”的龍頭企業(yè)，公司生產(chǎn)的鋰電池保護(hù)用集成電路，可比日本理光的產(chǎn)品媲美，而價(jià)格卻低得多，市場(chǎng)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(xiǎn)；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)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(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流／短路保護(hù)和過放電保護(hù)，要求過充電保護(hù)高精密度、保護(hù)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(hào)雙節(jié)鋰電池保護(hù)電路、SA45141型號(hào)3節(jié)或4節(jié)鋰電池保護(hù)電路、SC8261G型號(hào)單節(jié)鋰電池保護(hù)電路、SC121型號(hào)內(nèi)置延時(shí)電容單節(jié)鋰電池保護(hù)電路、SC8201型號(hào)單節(jié)鋰電池保護(hù)電路、SC8821型號(hào)內(nèi)置MOSFET的單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片，其中SA1412是鋰電池保護(hù)用集成電路。當(dāng)鋰電池處于過放電、過充電以及過電流時(shí)，對(duì)鋰電池起到保護(hù)作用。SC8821是內(nèi)置MOSFET的單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片，為避免鋰電池因過充電、過放電、電流過大導(dǎo)致電池壽命縮短或電池被損壞而設(shè)計(jì)的，SC8821具有高精確度的電壓檢測(cè)與時(shí)間延遲功能。

    鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護(hù)很重要，否則嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致燃燒、爆炸，致人傷亡，所以通常都會(huì)在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)保護(hù)線路用以保護(hù)鋰電池，鋰電池保護(hù)電路芯片是每一塊鋰電池的保護(hù)神，市場(chǎng)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(fù)雜，對(duì)電池內(nèi)部保護(hù)電路的要求很高等，尤其對(duì)全密封鋁殼封裝的鋰離子電池來說，在其安全保護(hù)的設(shè)計(jì)上存在一個(gè)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(chǔ)量達(dá)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(jià)值，目前世界上只有少數(shù)國家擁有可經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的鋰資源。

    中南大學(xué)化學(xué)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?yàn)檫@相當(dāng)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(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)環(huán)境造成有機(jī)污染。其含有的鈷等重金屬元素，也會(huì)對(duì)環(huán)境會(huì)造成危害，尤其是鈷，含量相對(duì)較高，屬于稀有貴重金屬，具有很高的回收價(jià)值。雖然鋰電池本身的污染并不嚴(yán)重，但鋰金屬在提取冶煉過程中，對(duì)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(shí)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(jìn)行時(shí)，氯化鋰離解為鋰離子，向陰極移動(dòng)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(diǎn)是電解時(shí)產(chǎn)生氯氣污染嚴(yán)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(rèn)為，市場(chǎng)上多半使用的高容量鋰電池由于化學(xué)成分的不同，在發(fā)生質(zhì)量問題時(shí)，容易出現(xiàn)爆炸傷人事故。而相對(duì)安全的是鎳氫和鎳鎘電池。鋰元素過于活躍，它使用時(shí)不太安全，經(jīng)常會(huì)在充電時(shí)出現(xiàn)燃燒、爆裂的情況，后來經(jīng)過改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)和高效。

    在鋰電池發(fā)展過程中，因?yàn)椴捎玫恼?fù)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(fù)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(xué)活潑性較高，在石墨負(fù)極的配合下，一旦出現(xiàn)高溫，容易發(fā)生爆炸燃燒。盡管實(shí)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(jī)及筆記本電腦等為主的電子消費(fèi)品數(shù)量極大，使用范圍極廣，因此累計(jì)發(fā)生的安全事故絕對(duì)數(shù)量使人們感覺很多。由于這些電子消費(fèi)品是人們?nèi)粘Ｉ钕喟椋豢苫蛉钡挠闷?，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(dòng)助力車用鋰電池。

    鋰離子電池的安全設(shè)計(jì)過分依賴其內(nèi)部電子安全保護(hù)芯片，而沒有設(shè)置必要的物理安全保護(hù)措施。在充電以及使用的過程中，一旦出現(xiàn)其安全保護(hù)芯片失效的故障，后果是不堪設(shè)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?yàn)榘l(fā)生電池內(nèi)部短路等等異常而導(dǎo)致電池爆炸的悲劇發(fā)生。

    3.4 成本問題

    相對(duì)于鉛酸蓄電池，鋰電池用于電動(dòng)助力車的成本較高是一個(gè)突出的特點(diǎn)，也是影響鋰電池大規(guī)模替代鉛酸蓄電池用于電動(dòng)助力車的關(guān)鍵。鋰電池的正極材料、負(fù)極材料、集流體、隔膜、電解質(zhì)等主材價(jià)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(yuǎn)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(shí)存在，而且差距以倍數(shù)計(jì)。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(fù)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(jià)值在40%以上，而鋰電池的回收價(jià)值幾乎是零。

    4 鋰電池的市場(chǎng)前景

    目前動(dòng)力電池主要是鎳氫電池和鋰電池2種形式，混合動(dòng)力電池目前多采用鎳氫材料，但由于鎳氫電池的一些技術(shù)性能已經(jīng)接近理論極限值，因此并不被認(rèn)為是未來的發(fā)展方向。相對(duì)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(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，得到廣泛的認(rèn)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(jī)、移動(dòng)通訊中得到普遍應(yīng)用。鋰電池電解液目前主要用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、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(dú)霸手機(jī)和手提電腦等高端市場(chǎng)，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(dòng)汽車中開始試用。雷天鋰離子動(dòng)力電池與汽車產(chǎn)業(yè)巨頭一汽集團(tuán)合作，重點(diǎn)開發(fā)鋰離子電動(dòng)商務(wù)中巴、鋰離子電動(dòng)豪華大巴、鋰離子電動(dòng)城市大巴3種車型，并在長春和無錫生產(chǎn)基地投產(chǎn)，計(jì)劃2009年大批量生產(chǎn)。安裝“雷天”鋰離子動(dòng)力電池的大客車，充電20min即可以130km時(shí)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(zhǔn)備在2010年采用。

    在目前的混合動(dòng)力汽車及未來的電動(dòng)汽車所采用或?qū)⒉捎玫碾姵刂?，存在著鎳氫電池與鋰電池之爭(zhēng)。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(chǎng)分析人士認(rèn)為，隨著鋰電池技術(shù)的提高，以及大規(guī)模制造導(dǎo)致成本降低，未來有可能替代鎳氫產(chǎn)品成為HEV動(dòng)力電池的主流。鋰電池代表的是混合動(dòng)力汽車動(dòng)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(shí)的選擇是鎳氫電池。鎳氫動(dòng)力電池剛剛進(jìn)入成熟期，是目前混合動(dòng)力汽車所用電池體系中唯一被實(shí)際驗(yàn)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(dòng)力汽車全部采用鎳氫動(dòng)力電池體系。

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

    有關(guān)專家曾樂觀地預(yù)期，至2016年鋰離子電池市場(chǎng)總產(chǎn)值有望挑戰(zhàn)100億美元。預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄娫粗唬⒃谌嗽煨l(wèi)星、航空航天和儲(chǔ)能方面得到應(yīng)用。其未來的市場(chǎng)前景十分廣闊，被視為21世紀(jì)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(dòng)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。