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1、锂电池正极材料地发展及应用 一、电池行业地发展历程 1.1 电池分类 一次电池： 也称为原电池 ,活性物质只能使用一次地电池,如：一次性碱性电池 二次电池： 经充电后可继续使用地电池,包括：铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂电池 太阳能电池：通过光化学反应转化为电能,可分为：多晶硅电池、非晶硅薄膜电池等. 燃料电池： 将燃料与氧化剂中化学能直接转化为电能地发电装置.外表上看有正负极和电解 质等 ,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”b5E2RGbCAP 图 1 二次电池地发展历程 1.2 电池性能比较 表 1 几种电池地性能比较 原电池铅酸电池镍镉、镍氢电池锂离子电池燃料电池
2、性能性能适中性能适中高功率放电能量密度高能量密度极高 能量密度中差中好好 功率差中较好好中 使用寿命差中好好好 成本低低中高高 环保性差差中好好 技术成熟度好好较好较差差 优点技 术 成 熟 , 性价比高 性价比优异,技术成 熟,安全性好 高倍率充放电,技 术成熟 能量密度高,无记忆效 应 ,循环寿命长,自放电 小,环保性好 能量密度高,能量 转换效率高,低污 染 缺点能 量 密 度 低 , 污 染 环 境 能量密度低,循环寿 命较低 ,铅污染环境 自放电明显,镍镉 电池有记忆效应, 镉污染环境 成本高 ,安全性未完全解 决,高功率放电性能差 技术尚未成熟 资料来源：国泰君安证券研究所 表 2
3、 镍镉、镍氢、锂离子电池性能对比 技术参数镍镉电池镍氢电池锂离子电池 工作电压 500 500 500 1000 价格高较高低较低 安全性低较低较好好 应用领域小电池小电池 主） /小 型动力电池 动 力 电 池 主 ） / 小电池 动 力 电 池 /超 大 容量电池 2.3 锂电池地应用 钴酸锂由于加工性能好,密度高 ,比容量相对较高,材料地结构稳定,循环性能好 ,材料地电 压平台较高且比较稳定,是最成熟 ,也是唯一商业化地正极材料,在短时间内 ,特别是在通讯电 池领域还有不可取代地优势.但价格昂贵、资源紧缺、安全性差等缺陷使得其必然在5 到 10 年内遭受被取代命运.但如果钴酸锂材料在容量
4、和安全性上有所突破地话,其商业寿命可能会 得到延续 .最近 3-5 年内 ,钴酸锂地主导地位将会被逐渐弱化,可能出现钴酸锂和镍钴锰三元材 料共存地现象 ,5 年后 ,可能是镍钴锰三元材料独霸地时代.因为早在2007-2008 年 ,国内已有许 多企业在铝壳电池中批量掺混使用三元材料,掺混比例达到20-30%左右 .随着笔记本电脑对 柱型电池需求地持续增长,国内部分企业已经开始批量使用三元材料来生产2.0-2.2AH 地第 2 代 18650 柱型电池 .在动力电池市场方面,华东地区已有不少企业开始使用三元材料应用于 电动工具用地18650 柱型电池上 .SixE2yXPq5 在动力电池领域,由
5、于钴酸锂地安全问题和高昂地价格,使其一直在动力电池门外徘徊, 始终没有完全进入动力电池领域.磷酸铁锂和一般锂电池虽然同属绿色环保电池,但是磷酸铁 锂电池没有过热或爆炸等安全性顾虑,再加上其循环寿命是一般锂电池地4-5 倍 ,高于一般锂 电池8-10 倍高放电功率可瞬间产生大电流）,加上同样能量密度下重量约较一般锂电池减 轻 30-50%,因此为汽车制造商所高度重视,发展前景广阔.但由于磷酸铁锂地一致性问题和专 利问题 ,其在动力电池地应用还处在由科研到市场地导入期,还要经受大规模商业化地考 验.6ewMyirQFL 三、 锂电池正极材料地未来发展趋势 锂电正极材料行业经过近20 年地发展 ,在
6、国际市场已经逐渐形成了寡头竞争地局面,由 于本行业技术集成度高、产品质量要求严格等较高地门槛使得一些不具备核心竞争力地企 业逐渐地退出了该行业地竞争市场,新加入者也将会被这些较高地壁垒拒之门外.国内锂电正 极材料行业在早期地几年时间内,涌现出了大批地企业参与市场竞争,随着市场格局地不断演 变,国内不具备竞争实力地企业也逐渐地退出了历史地舞台,行业内地优质资源逐渐地向几家 具备实力地大企业集中.kavU42VRUs 锂电正极材料市场可以细分为小型锂电和动力锂电正极材料市场.小型锂电正极材料包 括钴酸锂、三元材料和锰酸锂,而动力锂电正极材料主要锰酸锂、磷酸铁锂和三元材 料.y6v3ALoS89 小
7、型锂电正极材料行业仍将平稳增长,钴酸锂在这一市场用量仍将保持一定地增长,但 是随着三元材料和锰酸锂材料快速进入,钴酸锂地相对市场份额会有所降低.M2ub6vSTnP 动力锂电池地发展给锂电正极材料地成长带来了巨大地市场空间,应用于这类材料在未 来地增长趋势明显.据 IIT( 日本对动力锂电池能量需求地预测：2018 年到2018 年动力锂电 池汽车对锂电能量地需求增长率为137%,预计2018 年动力锂电池地总能量将达到350 亿 Wh,而 2009 年小型锂电地总能量需求约为48 亿 Wh0YujCfmUCw 分析动力锂电地能量需求及汽车锂电生产商对正极材料地选择,按照锰酸锂地能量密度 约
8、370Wh/kg, 磷酸铁锂约432Wh/kg, 三元材料约525Wh/kg 为计算依据 ,未来 10 年世界动力 锂电正极材料市场需求变化趋势如下：eUts8ZQVRd 表 5 未来 10 年世界动力锂电正极材料市场需求变化趋势单位：吨 总体来看 ,锂电正极材料行业正处于朝气蓬勃地青壮年期,将长期处于快速增长阶段.在 未来 10 年内将保持年均22.8%地增长率 ,尤其是2018 年动力锂电池地大规模商业化将使得 锂电正极材料需求量地年增长率超过40%,市场总量将超过8万吨 .sQsAEJkW5T 表 6 未来 10 年锂电正极材料产量预测单位：吨 四、总结 虽然锰酸锂和磷酸铁锂等锂离子电池
9、正极材料地技术进步使锂离子动力电池在新能源 汽车领域中地应用前景最为看好.但短期内 ,锂离子动力电池地应用还处在由科研到市场地导 入期 ,还要经受大规模商业化地考验.GMsIasNXkA 目前锂离子电池电动自行车在电动自行车中所占比例将近1%.制约瓶颈在于价格高、 品质不稳定 . 对于汽车制造商而言,安全历来是第一优先考虑地问题,因为汽车召回地成本时IT 业产 品召回成本地数以万倍,因此必须设法在汽车电池地安全性与续航能力之间做出一个明智地 取舍 .对于动力电池地路线之争,普遍认为能量密度、循环寿命等性能占优地锂离子电池必为 发展趋势 .在几种锂电池地比较中,就磷酸铁锂材料结构而言,其电容量虽
10、然比其它地锂电池 容量少了25%,不过比起镍氢电池而言,其效益却提升了70%,安全地特性加上容量地提升,使 得汽车业界从磷酸铁锂身上看到了安全与续航力地平衡点.TIrRGchYzg 表 7 磷酸铁锂电池用于电动车地优势 电池磷酸铁锂钴酸锂锰酸锂镍氢铅酸 平 均 工 作 电 压 V） 3.3 3.6 3.7 1.2 2.0 使用中电压变化维持平稳持续下降持续下降持续下降持续下降 安全性碰 撞 或 破 裂 后 只 会冒烟 ,不燃烧 ,不 爆炸 碰 撞 或 破 裂 后 有 可能燃烧或爆炸 碰 撞 或 破 裂 后 有 可能燃烧或爆炸 碰 撞 或 破 裂 后 不 燃烧 ,不爆炸 碰撞或破裂后,可 能喷射出酸液 使用寿命 年）5-10 3 1-2 1-2 1-2 自放电率 %）1-1.5 5-10 5-10 30 30 最 大 电 流 放 电 特 性 可瞬间 30C 大电流放电,具有 危险性 大电流放电,具有 危险性 可瞬间 15C 不可大电流放电 工作温度-20+75 -20+55 -20+55 -20+55 -20+55 震动承受力可以有潜在危险有潜在危险可以可以 可用电容量 %）99 95 95 85 5060 环保符合 RoHs 符合 RoHs 符合 RoHs 符合 RoHs 不符合 RoHs