?1 什麼是鋰離子電池

鋰離子電池(LithiumIonBattery，縮寫為L(zhǎng)IB)，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(wú)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(jué)很好。

1.2循環(huán)壽命長(zhǎng)

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(kāi)發(fā)與利用。

我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量全球第一，生產(chǎn)量佔(zhàn)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?gòu)S商都計(jì)劃在今后2年內(nèi)把產(chǎn)量大幅提高。目前，中國(guó)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(guò)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(jiàn)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?？梢灶A(yù)見(jiàn)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(jiàn)的將來(lái)，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(kāi)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(guó)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(rùn)3000萬(wàn)，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(kāi)發(fā)和使用的鋰離子電池負(fù)極材料主要有石墨、軟碳(softCarbon)、硬碳(HardCaobon)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(jiàn)的有石油焦、針狀焦、碳纖維、中間相碳微球(MesocarbonMicrobends，縮寫MCMB)等。硬碳是指高分子聚合物的熱解碳。常見(jiàn)的有樹(shù)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(wú)序炭?jī)嵐芊烹娙萘亢艽?，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(wú)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」，不像石墨材料那樣在低電位處有一個(gè)電位平臺(tái)。過(guò)渡金屬氧化物用作LIB負(fù)極活性材料時(shí)的主要問(wèn)題是不可逆容量大和充、放電電位平臺(tái)高。鋰一過(guò)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(guò)程中體積膨脹率太大，致使電極材料在反覆充、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(wèn)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(wú)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(guó)外，如德國(guó)Merck公司和日本Stella公司，且質(zhì)量較好。我國(guó)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(guó)家，國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)泰的鋰電池電解液業(yè)務(wù)已經(jīng)佔(zhàn)營(yíng)業(yè)利潤(rùn)的30%，發(fā)展成為公司利潤(rùn)新的增長(zhǎng)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(wú)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(lái)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(wàn)輛為基數(shù),依此推算,每年新增碳酸鋰需求將達(dá)數(shù)萬(wàn)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(zhǎng),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(lái)革命性變化。

2.4隔離膜

隔離膜材料佔(zhàn)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(wàn)元/噸,大幅升值幾百倍。

2.5電池保護(hù)IC

鋰電池在使用過(guò)程中，過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)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(guò)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(guò)充、過(guò)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(guò)度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過(guò)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(guò)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(guò)度充電保護(hù)、過(guò)電流／短路保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)，要求過(guò)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(kāi)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(guò)放電、過(guò)充電以及過(guò)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(guò)充電、過(guò)放電、電流過(guò)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(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)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。