3 锂电池发展的障碍
锂离子电池也存在许多缺陷:循环寿命短,充电电路复杂,对电池内部保护电路的要求很高等,尤其对全密封铝壳封装的锂离子电池来说,在其安全保护的设计上存在一个极其致命的缺陷。
3.1资源紧缺
地壳中锂元素的比例约为0.0065%,其丰度在各种元素中居第27位。海水中锂的总储量达2600亿t,但浓度太小,提炼困难。世界盐湖锂资源主要分布 在智利、阿根廷、中国及美国。花岗伟晶岩锂矿床主要分布在澳大利亚、加拿大、芬兰、中国、津巴布韦、南非和刚果。印度和法国也发现伟晶岩锂矿床,但是不具 有商业开发价值,目前世界上只有少数国家拥有可经济开发利用的锂资源。
中南大学化学电源与材料研究所所长唐有根表示,即便是锂的成本和安全性的问题全部解决了,今后用锂电池替代汽油的话,也满足不了全部需求,因为这相当于用一种紧缺的资源去替代另一种紧缺的资源。
3.2冶炼污染
锂离子电池中含有的六氟磷酸锂、聚丙二乙烯(醇)等化学物质会对环境造成有机污染。其含有的鈷等重金属元素,也会对环境会造成危害,尤其是鈷,含量相对较 高,属于稀有贵重金属,具有很高的回收价值。虽然锂电池本身的污染并不严重,但锂金属在提取冶炼过程中,对环境的污染不亚于汽油产生的污染。金属锂的工业 生产方法主要有熔盐电解法和真空热还原法。熔盐电解法系采用氯化锂为原料,在熔融电解槽内电解时分解为金属锂和氯气,在阴极析出锂,在阳极析出氯气。电解 进行时,氯化锂离解为锂离子,向阴极移动并放电,形成的金属锂通过熔盐逐渐上升到电解槽表面或到锂收集室。在阳极析出的氯气通过熔盐上升至出口排出或收 集。该法的最大缺点是电解时产生氯气污染严重,且产品质量不易控制,生产成本高。
3.3安全问题
专家认为,市场上多半使用的高容量锂电池由于化学成分的不同,在发生质量问题时,容易出现爆炸伤人事故。而相对安全的是镍氢和镍鎘电池。锂元素过于活跃, 它使用时不太安全,经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况,后来经过改进型的锂离子电池,加入了能抑制锂元素活跃的成分,从而使锂电提高安全标准和高效。
在锂电池发展过程中,因为采用的正负极材料及其配方不同,出现过爆炸、燃烧等不安全现象。主要是负极采用金属锂,经循环后产生枝晶,致使短路,出现燃烧爆 炸;而正极材料采用鈷酸锂或镍鈷锂等,其化学活泼性较高,在石墨负极的配合下,一旦出现高温,容易发生爆炸燃烧。儘管实际发生的概率在十万分之一或百万分 之一以上,但由于以手机及笔记本电脑等为主的电子消费品数量极大,使用范围极广,因此累计发生的安全事故绝对数量使人们感觉很多。由于这些电子消费品是人 们日常生活相伴,不可或缺的用品,一旦发生安全问题,影响很大,致使人们「谈锂电池色变」。这种在电子数码产品中使用的锂电池的安全问题形成一种成见,开 始影响电动助力车用锂电池。
锂离子电池的安全设计过分依赖其内部电子安全保护芯片,而没有设置必要的物理安全保护措施。在充电以及使用的过程中,一旦出现其安全保护芯片失效的故 障,后果是不堪设想的,轻则出现电池内部气体积聚引起电池体涨鼓现象,重则可能因为发生电池内部短路等等异常而导致电池爆炸的悲剧发生。
3.4成本问题
相对于铅酸蓄电池,锂电池用于电动助力车的成本较高是一个突出的特点,也是影响锂电池大规模替代铅酸蓄电池用于电动助力车的关键。
锂电池的正极材料、负极材料、集流体、隔膜、电解质等主材价格比铅酸蓄电池高出很多,其组装辅材和外部电路系统成本则是铅酸蓄电池几乎没有的。虽然锂电池 由于能量远高于铅酸蓄电池,因此单位功率的原辅材料成本并没有表现出来的成本差距那麼大,但是二者的材料成本差距确实存在,而且差距以倍数计。由于制作工 艺的原因,锂电池的人工成本比较高。在制造成本中,锂电池的人工成本佔40%以上,而铅酸蓄电池的人工成本一般为10%~20%。锂电池在生产中大部分过 程是不可逆的,而铅酸蓄电池是可逆修復的,因此锂电池的总体合格率较低。铅酸蓄电池使用之后的回收价值在40%以上,而锂电池的回收价值几乎是零。
4 锂电池的市场前景
目前动力电池主要是镍氢电池和锂电池2种形式,混合动力电池目前多采用镍氢材料,但由于镍氢电池的一些技术性能已经接近理论极限值,因此并不被认为是未来 的发展方向。相对而言,锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长,得到广泛的认可。
自从商业化以来,锂离子电池不断攻城略地,已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。锂电池电解液目前主要用于手机、数码相机、手提电 脑等电子产品以及矿灯,约佔锂离子全部使用量的90%;已经独霸手机和手提电脑等高端市场,成为各类电子产品的主力电源。电子产品、矿灯等用锂电池的需求 将保持每年10%的稳定增长。
目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用。雷天锂离子动力电池与汽车产业巨头一汽集团合作,重点开发锂离子电动商务中巴、锂离子电动豪华大巴、 锂离子电动城市大巴3种车型,并在长春和无锡生产基地投产,计划2009年大批量生产。安装「雷天」锂离子动力电池的大客车,充电20min即可以 130km时速行驶300km左右路程,而每行驶100km耗电仅18度。日本及海外汽车厂商纷纷开始在乘用车上采用锂离子充电电池。在日本国内厂商中, 丰田汽车、富士重工业、三菱汽车已经决定采用,而在欧美,戴姆勒也表示采用。德国奥迪、美国通用汽车也准备在 2010年采用。
在目前的混合动力汽车及未来的电动汽车改采用或将采用的电池中,存在着镍氢电池与锂电池之争。与锂电池相比,镍氢电池具有续航能力不足以及不能外插式充电 等缺陷。市场分析人士认为,随着锂电池技术的提高,以及大规模制造导致成本降低,未来有可能替代镍氢产品成为HEV动力电池的主流。锂电池代表的是混合动 力汽车动力电池的未来,而目前从成本和商业化的角度看,更现实的选择是镍氢电池。镍氢动力电池刚刚进入成熟期,是目前混合动力汽车所用电池体系中唯一被实 际验证并被商业化、规模化的电池体系,全球已经批量生产的混合动力汽车全部采用镍氢动力电池体系。
现有混合动力电池99%的市场份额为镍氢动力电池,商业化的代表是丰田的普锐斯。预计,到2020年前,非镍氢混合动力电池的佔有市场份额不到20%,镍氢混合动力电池的市场前景看好。在未来的8~10年,镍氢动力电池仍是新型混合动力汽车的动力电池体系的主导产品。
有关专家曾乐观地预期,至2016年锂离子电池市场总产值有望挑战100亿美元。预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在人造卫星、航空航 天和储能方面得到应用。其未来的市场前景十分广阔,被视为21世纪发展的理想能源。作为伯克希尔·哈撒韦公司的董事长,世界股神沃伦·巴菲特就曾剑指新能 源动力。2008年9月巴菲特旗下的中美能源宣布以2.32亿美元购入比亚迪约2.25亿股,锂电池的魅力由此可见一斑。