中国动力锂离子电池重点应用市场分析.docx
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1、中国动力锂离子电池重点应用市场分析1.1 燃油汽车、摩托车领域中国是一个经济正在高速发展的发展中国家,汽车已成为城市的主要污染源,也是每年要花费大量外汇进口石油的原因。油电混合式电动车(HEV)和电油混合式电动车(PHEV)是目前国际上发展最快的两类电动车。HEV完全靠加油站添加燃料,不需要外部充电,这种车辆排放的污染气体不到通常汽车的30%,油耗通常可降低25%50%,丰田年销售几十万辆的PriUS等已在市场上获得了成功。PHEV的电池的容量较大,可以完全依靠电力行驶一定的里程,也有人称之为插电式混合电动汽车,一般PHEV一次充满电可行驶2080公里,短途行驶可完全依靠电力运行;当需要长距离
2、行驶时,油箱中有油,切换到HEV模式运行即可。这种车辆可以更大幅度地减少汽油的用量,对于家用小轿车,美国有人预测其节油可达90%。PHEV的另一个好处是可充分利用夜间的低谷电以实现电网电力的充分利用,受到电网公司的欢迎。发展电动汽车是我国企业工业发展的重大机遇,高功率电池是混合动力汽车的核心部件之一,理想的混合电动汽车电源对比功率和比能量这两项核心指标都要求达到很高的水平,且能在宽广的工作温度范围内工作,其寿命更要求与汽车的使用寿命相当。与其他蓄电池比较,锂离子蓄电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点,已成为手机、笔记本
3、电脑等移动电子设备的基本配备电源,并已开始批量应用于电动车辆。汽车工业要求锂离子动力电池的寿命比小型电池长两倍以上,成本降50%,单体容量增加10倍以上,生产规模增加几十甚至上千倍。目前锂离子电池行业正在和即将发生结构上的重大调整,动力电池的产业化正伴随着材料、工艺和装备的重大革新开始起飞。传统的钻基氧化物正极材料正在为成本更低和安全性好的镒基氧化物和磷酸盐材料取代,用于小型电池的电极制备工艺也将会逐渐地被高效、低能耗和污染小的新工艺所取代,相应的材料制备技术、电池制造技术、工艺和装备不断地创新和深入发展。动力锂电池要求的材料和制造技术与小电池均有区别,其产业化注定是一个漫长的过程,需要技术、
4、资本、管理、应用的全面结合才能解决问题。在这个领域,日本政府已投入超过10亿美金,已经做了20年的产业布局,推出了成熟的产品。中科院物理研究所的锂充电电池研究开发项目,连续20年一直获得“863”计划等国家项目的支持,在锂离子电池研究、开发、产业化上摔打了20多年,在本领域享有较高的国际声誉,已发表相关论文200多篇,申请国内外专利30多项,在某些技术、某些关键点上形成了独特的技术优势。11年前,物理所的科研人员就开始了锂离子的产业化历程。从小型电池产业化,突破动力电池关键材料技术,到动力电池产业化一路走过来,锂离子动力电池的关键材料除隔膜目前仍依赖国外进口,正负极材料、电解液等通过自主开发都
5、达到相当的水平,己部分满足了小型动力电池的需要。“十五”期间,锂离子电池在“863”电动汽车重大专项的支持下解决了高功率输出的问题,安全性也得到了极大的提高。依托于中科院物理所技术的苏州星恒电源有限公司(下简称“星恒”)创造性地实现了平板电池的机械化生产。2004年,星恒研发的10安时高能量型和7.5安时高功率型镒酸锂离子动力电池已通过美国UL安全测试,成为中国本土第一个通过UL认证的锂离子动力电池,目前产品已批量供应国内外市场。开发的15安时高功率电池通过“863”电动汽车重大专项组织的统一测试,“十五”期间已成功应用于燃料电池混合电动轿车概念车“超越二号”和“超越三号”。8安时高功率电池已
6、成为“上海”牌燃料电池混合轿车的标配。也赶上了电动自行车产业的大发展时期,现在星恒已将产品提供给多家国内电动自行车行业领先的客户进行锂电池电动车的合作开发与生产。星恒以我们自己的技术、设备和原材料为主,带动一个国内相关产业链的发展。发展电动汽车,需要高可靠性和低成本的电池,以前的一个怪圈是,动力电池生产没形成规模、成本高、可靠性差,电动车厂家不愿意用,电池厂家的产品卖不出去,就不可能扩大生产规模和通过大量生产提升产品的稳定性和可靠性,电池价格就会居高不下,也谈不上产品的可靠性和稳定性。与日本有了成熟的电动汽车市场相比,中国的动力电池产业发展面临一个很大的困难,星恒首先进入电动自行车市场将有助于
7、打破这个怪圈。越来越多的老百姓骑电动自行车,支持了动力电池这一行业,增加了产品的需求,生产和技术水平越来越高,产业规模越来越大,产品的稳定性和可靠性就会大幅度提高,成本也会降下来。随着电动自行车电池批量化生产,星恒的混合电动汽车用高功率锂离子电池的稳定性也在逐步提高,2006年搭载星恒15安时锂离子动力电池的燃料电池混合电动轿车“超越3号”,在法国巴黎举办的必比登挑战赛中,在所有7个项目的评测中取得了“4A2B”的骄人成绩,至去年年底示范运行已超过两万公里。应该说,在国家“863”项目的支持下,在包括物理所、山东齐兴、上海图尔、无锡晶石在内的广大兄弟单位的帮助支持下,苏州星恒经过多年的努力,在
8、使用镒酸锂作为正极材料的高功率电芯的安全性方面取得了不错的成绩。目前的高功率锂离子电池已具有80Whkg的比能量和高于2000Wkg的比功率。但汽车工业要求电池具有15年的周期寿命目前对我们仍然是一个很大的挑战,能满足混合电动汽车15年使用寿命要求的材料需要大力发展,需要研究单位和企业的通力合作。动力电池的产业化刚刚开始,随着动力型锂离子电池材料的产业化进程的深入,必将大大促进动力电池产业的技术进步,无论从安全性、高温循环性、使用寿命,还是从制造成本上讲,都将把动力电池的产品推广和市场开发推向新的高度。而另一方面,新的、动力型锂离子电池正极材料的发展又对上游原材料生产企业提出了更高的要求,将促
9、进上游产业在产品质量以及降低成本等方面快速发展。相信未来几年里,锂离子动力蓄电池会逐渐占领电动车市场。1.2 电动汽车领域1.2.1锂离子电池在我国电动汽车领域的应用日本GS汤浅株式会社日前宣布该公司成功开发出在高温条件下也能够使用的可靠性显著提高的新型锂离子电池TOUGHIONTMPEND。随着混合动力电动汽车等双线(bi-wire)电子控制产品的发展,该产品可望广泛用于需要高可靠性的备用电源(估计市场规模在数百亿日元)等领域,期待对环保安全的汽车的普及等作出贡献。众所周知,目前混合动力电动汽车在要求使用高可靠性的双路用备用电源上连接数十个电化学电容器。而且随着汽车电子控制线路的增多,这种备
10、用电源要求具有越来越大的容量,与现在的电化学电容器相比,具有相同的高可靠性,而且能够大幅降低占用空间等特点。为了满足上述要求,必须使用高温、长期使用的情况下也具有高可靠性以及兼有高能量密度的蓄电设备。但是现有的锂离子电池、银氢电池、银镉电池等二次电池产品,高温性能不好,故一直没有在这个领域得到使用。此外电容器不具有二次电池一样的高能量密度特性,故需要较大的使用空间。这次该公司开发的新型锂离子电池,负极采用钛的氧化物,且为了抑制负极活性物质和电解液间的副反应导入了许多新技术,从而使该款电池在现有二次电池和电容器不宜使用的80C高温条件也能够使用,且具有高度的可靠性,兼有锂离子电池特有的高能量密度
11、。1.2.2其他电池在电动汽车领域的应用1)、燃料电池在电动汽车领域的应用燃料电池以其特有的燃料效率高、质量能量大、功率大、供电时间长、使用寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物NCh等优点正在引起世界各国的注意。与内燃机汽车相比,氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少99%,CO2的生成量减少75%,电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。这种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。近年来一些厂家,如戴姆勒克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车(FCEV)o汽车界人士认为FCEV是汽车工业的一大革命,是21世纪真正的纯绿色环保车,是最具实际
12、意义的环保车种。1 .燃料电池电动汽车的发展慨况20世纪60年代和70年代,美国首先将燃料电池用于航天,作为航天飞机的主要电源。此后,美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力,开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美,各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟,各公司分别承担相应的任务,生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下,推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC,也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新
13、型燃料电池,其燃料效率比内燃机提高1倍,而产生的污染则只有内燃机的5%。估计在5年内可研制出使用该种动力系统的电动汽车,并有望于2005年投入商业化生产。加拿大巴拉德(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司,自1983年以来,Banard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下,为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统,以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车,装备105kW级PEMFC燃料电池组,能载客20人,对于一般城市公共汽车,采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行4
14、80kmo目前,Ballard燃料电池的体积功率已达到IkW/L的目标。在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池,且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC),1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的PEMFC。在欧洲燃料电池的开发中德国的西门子和意大利的DeNo公司处于领先水平。德国奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECAR1I小客车。法国也开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever
15、”,它以低温储存的氢和空气作燃料,发电功率达20kW,电压为90V,且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制,并把制动时产生的能量储存在蓄电池里,以备汽车起动或加速时使用。英国能源部也于1992年成立了国家燃料电池开发中心。英国燃料电池技术的开发重点在燃料供应、重整炉、气体净化和空气压缩等方面。PEMFC的研究重点是改善催化材料的性能并探索柏(Pt)催化剂的涂覆方法,降低铝(Pt)含量,提高伯(Pt)利用率和耐受CO的允许值。我国在燃料电池电动车领域的研究水平与发达国家相差无几,由清华大学和北京富源新技术开发总公司联合研制的我国第一辆质子交换膜燃料电池电动旅游观光车,展示了国内研制电动车的最
16、新技术。有关专家指出,我国完全有能力在这一领域赶超世界先进水平。目前,所有领先的汽车制造厂都在积极开发燃料电池发动机技术,并且许多国家在燃料电池的研究方面取得了可喜的成绩。如今,燃料电池的功率密度已超过LIkW/L。同时,燃料电池还可用于固定式、便携式和船用动力等非运输车应用环境。这些开发项目所生成的协同作用将加快燃料电池在所有应用领域中的开发进程,并将大幅度降低燃料电池的生产成本。燃料电池技术虽已取得快速发展,但要使其装载使用达到规模,仍有一些难题需要解决,例如氢的制取、储存及携带成本高、基础设施建设投资大等。当前研究和开发工作的重点是降低成本和开发大规模制造工艺。随着燃料电池的体积功率和质
17、量功率的逐步提高,生产成本的不断降低,制造材料和工艺的进一步改进和完善,以燃料电池作动力的汽车将会得到广泛使用。2 .燃料电池电动汽车结构布置燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种,在车身、动力传动系统、控制系统等方面,燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同,主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说,燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能,电化学反应所需的还原剂一般采用氢气,氧化剂则采用氧气,因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料,氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。直接供氢的FCEV推广普及的关键是纯氢的供应和储存。为了保证直接供氢的FCEV用氢的需要,
18、必须建造氢站,这就增大了直接供氢的FCEV商品化和推广普及的难度,因此,世界上各大汽车公司纷纷推出了通过燃料重整反应制取氢气的技术,可使用多种碳氢燃料,包括醇类燃料、天然气等。目前,通过重整反应利用甲醇制取氢气的技术已十分成熟,甲醇为液体燃料,携带方便,提高了燃料电池电动汽车的续驶里程,且燃料能量的利用率可达70%90%,大大高于热力发动机的效率。福特汽车公司的21世纪绿色汽车的开发计划中,FCEV作为开发研究重点,其推出的P2000HFC试验车即为直接供氢的FCEV,福特公司也有利用甲醇进行改质产生氢气的技术。目前,福特公司与石油公司摩比尔一起开发更具实际意义的车载汽油改质氢燃料电池车(FC
19、EV)o从基础设施建设和社会使用环境上看,汽油改质型比甲醇改质型更为有利。新开发的汽油改质器与以往的相比,质量和体积都缩减了30%左右,从而提供了车载性,实现了与汽油相媲美的包装效率,对汽油改质氢FCEV的早日实用化及FCEV的普及推广具有重要意义。3 .燃料电池的类型燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型2种;按工作温度分为低温型(低于200oC)中温型(200-75(TC)和高温型(高于750C);按电解质类型不同分,常有这几种:碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。这些燃料电池的性
20、能和特点见表U表1几种常见燃料电池的性能与特点电池类型操作温度,比功率,W/kg燃料氧化剂电解质启动时间AFC50-20035-105纯氢纯氧氢氧化钾,有几分气腐蚀,液体钟PAF180-210120-180甲醇、天然氧气、磷酸,有腐2-4hC气、氢气空气蚀,液体碳MCF630-70030-40甲醇、天然氧气、碳酸锂/碳酸10hC气、氢气、空气钾,有腐蚀,煤气液体SOF750-10015-20甲醇、天然氧气、掺铝氧化错,10hC0气、氢气、空气有腐蚀,液体煤气PEM25-100340-150氢气氧气、磺酸盐聚合几分FC空气体,无腐蚀、钟固体由于汽车是移动式交通工具,因此要求车用燃料电池具有较高的
21、能量密度以及作为车辆所必需的快速起动和动力响应的能力,同时,具有成本低、安全性好、寿命长等特点。从能量密度、操作温度、耐C02能力以及耐振动冲击能力等来看,质子交换膜燃料电池(PEMFC)最适合用作电动汽车的动力电源,它与电动机结合后,成为一种新概念的动力机,是内燃机最强有力的竞争者。2)、银氢电池促进混合动力汽车的发展到2020年欧洲对混合动力汽车的需求将增加到销售量的15%你可能更多地是在广告上而不是在路上看到混合动力汽车。尽管丰田普锐斯(PriUS)已经被一些人认可,而且许多其他混合动力汽车也正处于开发和商业品化的各类阶段,但是总体感觉混合动力汽车不仅不能与传统的汽车真正一争高下,而且价
22、格上也更昂贵一些。但这种认识正在发生变化。由于石油价格的上涨、排放标准的严格、技术和性能的不断提高和税收的优惠,混合动力汽车正在获取市场份额,特别是在欧洲。银产品正在促进其增长。根据银协会2007年进行的一项关于保对欧盟经济重要性的研究显示,2006年在欧盟销售了50,000多辆混合动力汽车。预计到2015年混合动力汽车市场额将占所有新车售额的45%,相当于920,000辆,其中三分之二将采用银氢电池(NiMH)。欧盟新车产量约占世界新车总量的三分之一,预计到2020年,欧盟的混合动力汽车市场份额将翻三倍,达到总销售额的15%0所有这些对于保来说是意义深远的。混合动力汽车分为“微混合”、“轻度
23、混合”或者“全混合”三种,该划分取决于车辆驱动系统中的电池动力相对于内燃机的重要性。在“微混合”动力汽车中,电池仅起辅助作用,典型的如铅酸电池(LAB)。由于在“轻度混合型”和“全混合型”混合动力汽车中电池将起到更大或者主要的作用,要求更大的储存容量、功率、效率和充电能力,因此这类混合动力汽车采用银氢电池。与其它电池相比,银氢电池每单位重量比铅酸电池容量多30-50%,银氢电池可以持续使用8-10年而铅酸电池仅仅2一3年。此外,银氢电池能充电几千次且第一次不必完全放电。银氢电池的正负极都使用银。负极用特殊的银合金例如锢镇(LaNi5)或者错镖(ZrNi2)合金制成,而正极板活性物质为氢氧化镁(
24、Ni(OH)2)o换句话说,银是银氢电池必不可少的重要成份。在电动机、电力电子、能源管理系统、制动系统以及辅助电子部件方面的创新也为混合动力汽车的发展提供了帮助。由于混合动力系统比传统的内燃机汽车燃料效率更高,因此它们的排放更低,不仅二氧化碳(CO2)排放减少,一氧化碳(Co),氮氧化物(NoX)以及其他的碳氢化合物的排放也减少。它们也更加安静,因为它们的内燃机比传统汽车运行次数少。混合动力汽车正稳固地确立自己的市场地位,镇对其市场份额的增长起着至关重要的作用。1.2.3国家863计划对电动汽车用动力电池的研究进展状况近日,863计划重大项目课题“车用锂离子动力蓄电池技术研发”的课题成果40A
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