聚合物鋰電池與電動(dòng)車(chē)輛的進(jìn)展
中國(guó)電動(dòng)車(chē)信息網(wǎng) 電動(dòng)車(chē)商情網(wǎng) 俠名 電動(dòng)車(chē)維修 2005-1-6 1
| 摘要：聚合物鋰電池是新近發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)蓄電池，除具有一般液態(tài)鋰電池的優(yōu)良特性外，還有尺寸小、重量輕、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，因此世界(Mondi)各大電池公司均把這一生產(chǎn)技術(shù)看作是未來(lái)(Futura)發(fā)展的重點(diǎn)，以期在電子、通訊及電動(dòng)車(chē)輛等高科技領(lǐng)域中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。本文收集報(bào)道了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、電池廠(chǎng)商在此領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展成果。 關(guān)鍵詞：聚合物 鋰電池 電動(dòng)車(chē) 1990年日本Sony公司向世界(Mondi)宣布：一種工作電壓高（3.6V）、比能量高（80—100Wh·Kg-1）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（1000次）、自放電率低（12%月-1）、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)污染的新型鋰離子蓄電池研制成功。這條消息在當(dāng)時(shí)令國(guó)際電池界，特別是鋰電池界感到震驚，并立即在世界(Mondi)范圍內(nèi)掀起了繼MH-Ni蓄電池之后的鋰離子蓄電池研究和產(chǎn)業(yè)化熱潮。 短短幾年內(nèi)，這種電池從提出設(shè)想到如今已達(dá)到年產(chǎn)幾百萬(wàn)只的生產(chǎn)水平，它主要應(yīng)用于移動(dòng)電話(huà)、小型報(bào)錄像機(jī)和筆記本電腦等領(lǐng)域。然而到1998年以后鋰離子電池出現(xiàn)供過(guò)于求的趨勢(shì)，價(jià)格下降幅度較大，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為其產(chǎn)量與價(jià)格已達(dá)到新的理性發(fā)展階段。 與此同時(shí)，一種新型的鋰電池脫穎而出，它采用固態(tài)的或膠體態(tài)的聚合物電解質(zhì)代替“傳統(tǒng)”的液態(tài)電解質(zhì)，這就是人們所稱(chēng)的聚合物鋰電池也叫塑料鋰離子（PLI）電池，PLI電池除具有“傳統(tǒng)”鋰離子電池高比能量和長(zhǎng)壽命的性能外，還有特殊的穩(wěn)定性和易加工性，能做成薄片狀或其它任意形狀，可以說(shuō)是新一代的二次電池。 大容量鋰蓄電池約于1995年開(kāi)始發(fā)展，其中研究實(shí)力強(qiáng)大的組織機(jī)構(gòu)有美國(guó)的USABC（美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)），日本的“新陽(yáng)光(Sunbeam)計(jì)劃”，歐洲的“Joule計(jì)劃”，其宗旨是發(fā)展用于電動(dòng)車(chē)，航天和儲(chǔ)能方面的實(shí)用電池。1996年索尼公司首次向世界(Mondi)展示了用鋰離子蓄電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車(chē)，法國(guó)SAFT公司則在1998年宣布，電動(dòng)車(chē)用鋰離子蓄電池（50Ah）已達(dá)到試生產(chǎn)階段。其它不少單位也均研制成功性能各異的樣品電池。開(kāi)發(fā)電動(dòng)車(chē)用鋰蓄電池是擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的方向之一，但從目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，離實(shí)用化還有差距。 1、聚合物鋰電池的進(jìn)展 1999年電池界引人注目的就是聚合物鋰電池。它是液態(tài)鋰離子蓄電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。與其它蓄電池相比，它具有比能量高、電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性好和無(wú)記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，表1列出了聚合物鋰電池與其他蓄電池在性能上的差別。從目前市場(chǎng)(Rialto)使用效果表明，聚合物鋰電池的安全性和電性能是令人滿(mǎn)意的。作聚合物鋰電池，其優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)，其一是電池可以做得很輕，其二在形狀上自由度很大。電解質(zhì)是膠狀的或完全是固體的，沒(méi)有漏液的擔(dān)心。也沒(méi)必要一定在金屬殼內(nèi)，可以放在塑料外殼內(nèi)，這樣可以使電池減輕重量。形狀可以是片狀，也可以做成大面積的電池。目前的 PLI電池技術(shù)結(jié)合了液體和聚合物兩者的優(yōu)點(diǎn)，即它的惰性聚合物基質(zhì)可以吸收大量的液體溶液，又可通過(guò)迭層結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。我們目前的研究結(jié)果表明這種電池已達(dá)到了在室溫下1C速率循環(huán)1500圈后仍保持初始容量的80%的水平，且能量密度達(dá)到約130Wh·Kg-1和300Wh·L-1。 雖然早在1997年日本Maxcell公司已將這種電池的樣品提供給一些有關(guān)廠(chǎng)家，日本湯淺公司隨后也宣布計(jì)劃大批量生產(chǎn)這種電池，但在1998年并沒(méi)有出現(xiàn)在容量方面與液態(tài)鋰電池相比的聚合物鋰電池。而到了1999年，聚合物鋰電池已開(kāi)始投放市場(chǎng)(Rialto)，因此1999年可以稱(chēng)為聚合物鋰電池元年，表2為日本各電池廠(chǎng)家聚合物電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)化計(jì)劃［2］ 在產(chǎn)品特征上，松下的聚合物電池尺寸為65mmX35mmX1.75mm，重為3g，電池電壓為3.7V，容量為100mAh，比手機(jī)用鋰離子電池輕。湯淺的電池尺寸為51mmX75mmX1.5mm,電壓3.6V，容量175mAh，用作便攜式唱可供電3小時(shí)，體積比能量109Wh-L-1，重量比能量70Wh-Kg-1。日本麥克(Mack)塞爾也是最早生產(chǎn)聚合物鋰電池的廠(chǎng)家，電池厚度僅是液態(tài)鋰離子電池的一半。產(chǎn)品用于筆記本電腦等便攜終端。索尼、東芝、三洋也均把這種電池看作是下一代的電池。 據(jù)美國(guó)著名的商業(yè)咨詢(xún)公司Kline報(bào)道［3］，最近索尼、松下電子工業(yè)（MBI）和Thmas＆Betts(T＆B)三家公司對(duì)鋰離子聚合物電池進(jìn)行聯(lián)合商業(yè)化生產(chǎn)。這是該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要里程碑。該公司預(yù)計(jì)固態(tài)或膠狀電解質(zhì)的鋰離子電池將在五年內(nèi)占所有銷(xiāo)售的鋰離子電池的20%-25%，并在10年中會(huì)接近30億-40億只。它還指出，這項(xiàng)技術(shù)不會(huì)只是小范圍的應(yīng)用，它能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求而成為便攜式電器的主選電池。 在全世界(Mondi)約有30家公司正在將鋰聚合物電池的一些類(lèi)型或相關(guān)技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化，較大的鋰離子電池生產(chǎn)商如Sanyo,Toshiba及其他小一些的公司也將在今年進(jìn)入鋰電池市場(chǎng)(Rialto)。Powerdex公司的產(chǎn)品已取得Motorola公司認(rèn)證，上市也是指日可待。加拿大一家公司“Electrofuel”展覽了他們的薄形聚合物鋰離子蓄電池塊，“1301006”型10.5Ah，460Wh·L-1，176Wh·Kg-1，“1301005”型，7.5Ah, 473Wh·L-1，160Wh·Kg-1。 國(guó)內(nèi)也有近十家公司正在進(jìn)行或準(zhǔn)備進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。廈門(mén)寶龍工業(yè)有限公司于1998年建立中試生產(chǎn)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)兩年的生產(chǎn)工藝的探索，將科研成果很好地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，目前產(chǎn)品已頗具規(guī)模。該公司主要生產(chǎn)如諾基亞、廈華、摩托羅(Toro)拉等多種品牌的手機(jī)電池，電池厚度均在8mm以下，其主要產(chǎn)品的性能指標(biāo)如表3所示。此外，它還開(kāi)發(fā)出用于專(zhuān)業(yè)攝象機(jī)、礦井燈用電池以及聯(lián)想、紫光筆記本電腦等電池，而掌上電腦和軍用產(chǎn)品等新品電池正在開(kāi)發(fā)中。 我國(guó)電動(dòng)的研究開(kāi)發(fā)近年來(lái)勢(shì)頭也越來(lái)越強(qiáng)大，已經(jīng)進(jìn)入有組織、有領(lǐng)導(dǎo)的全面發(fā)展階段。1996年由國(guó)家科委組織了“電動(dòng)汽車(chē)實(shí)施方案”綜合評(píng)審會(huì)，將電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目列入國(guó)家重大科技產(chǎn)業(yè)工程。現(xiàn)在各國(guó)所研制的電動(dòng)汽車(chē)大多采用鉛酸電池，我國(guó)所出現(xiàn)的大多汽車(chē)樣車(chē)也是用它做電源。這是由于它的價(jià)格低于其它電池， 而且比功率也較大。目前風(fēng)帆公司及鎮(zhèn)江蓄電池廠(chǎng)已在我國(guó)的改裝車(chē)上試用這種電池，其中在面包車(chē)上采用了20只12V·150Ah的電池，而小轎車(chē)上則使用10只裝電池組。但是用它們做電源的車(chē)輛，一次充電的續(xù)駛里程只能在100公里左右，最高車(chē)速約80km-h-1。存在的最大問(wèn)題是均勻性差，個(gè)別電池累計(jì)不足100km就需更換。另外電池過(guò)多過(guò)重必然影響它的運(yùn)載能力。因而人們都在研究新型蓄電池。 電動(dòng)車(chē)同時(shí)也是氫電池和鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)(Rialto)，目前產(chǎn)品多以MH-Ni電池為主。與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)并用的復(fù)合式電動(dòng)汽車(chē)。由松下電池公司提供氫電池，豐田(TOYOTA)汽車(chē)公司制造的復(fù)合式電動(dòng)汽車(chē)，在1998年冬奧會(huì)上使用，受到廣泛好評(píng)。目前該公司每月生產(chǎn)這樣的復(fù)合電動(dòng)汽車(chē)3000輛，每臺(tái)售價(jià)250萬(wàn)日元，比一般的燃油汽車(chē)貴70萬(wàn)日元。湯淺也做了這方面的努力工作。三洋公司看到電動(dòng)汽車(chē)很有發(fā)展前途，也強(qiáng)化了電動(dòng)汽車(chē)用電池的研究。1999年各汽車(chē)公司相繼發(fā)表了許多復(fù)合式電動(dòng)汽車(chē)方面的新聞，但從使用的情況來(lái)看，電池的重量以及高溫時(shí)充電效率仍存在問(wèn)題。 鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)以及復(fù)合式電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用已展開(kāi)。作為電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用，電池成本是個(gè)決定性因素。另外，在容量大型化的時(shí)候，電池還存在有安全性問(wèn)題。盡管如此，這種電池在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用仍具競(jìng)爭(zhēng)力的。因?yàn)樵诎踩矫�，安全回路可以做得非常�?jiǎn)單，而且鋰電池技術(shù)的發(fā)展很快，在成本和安全問(wèn)題上取得了突破性進(jìn)展。 美國(guó)汽車(chē)巨頭與電力研究所（EPRI）在能源部的贊助下，共同組建了一個(gè)聯(lián)合體USABC（美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)）。由它向電池制造廠(chǎng)商、研究院所訂立合同，規(guī)定了中期、長(zhǎng)期電池性能指標(biāo)（見(jiàn)表5）。第14屆國(guó)際電動(dòng)汽車(chē)討論會(huì)（EVS-14）上美國(guó)能源部代表宣布了1996年美國(guó)四種電池的性能指標(biāo)（見(jiàn)表6）。由此看來(lái)達(dá)到USABC的目標(biāo)還有一定距離。 此外，美國(guó)電池協(xié)會(huì)（USABC）還提出，聚合物鋰電池的發(fā)展目標(biāo)是在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)EV電池產(chǎn)業(yè)化。而在EV-15大會(huì)上，Letuomeau作了題為“電動(dòng)車(chē)用聚合物鋰電池進(jìn)展”的專(zhuān)題報(bào)告，指出這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不會(huì)太遙遠(yuǎn)，聚合物鋰電池具有EV電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所需的能量指標(biāo)、循環(huán)壽命和安全性。 有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，誰(shuí)掌握了體積小、重量輕、持續(xù)行程遠(yuǎn)、安全性能好、生產(chǎn)成本低的電動(dòng)汽車(chē)用蓄電池是極具發(fā)展?jié)摿Φ�，誰(shuí)就能獲得電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)(Rialto)的主導(dǎo)權(quán)。從這一點(diǎn)來(lái)看，聚合物鋰電池將逐漸占領(lǐng)充電電池市場(chǎng)(Rialto)。但產(chǎn)品是因市場(chǎng)(Rialto)需要而誕生的，電池也不例外，不可能期望一種電池包打天下。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，電動(dòng)車(chē)蓄電池仍是必然的發(fā)展需求，因此研究開(kāi)發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)將更趨激烈。 3.結(jié)論 1.固態(tài)鋰電池，作為充電電池的前沿技術(shù)，具有設(shè)計(jì)靈活、性能優(yōu)良、價(jià)格合理和安全性等綜合特性，國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家對(duì)該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)作了大量的投入。 2.電動(dòng)車(chē)用電池種類(lèi)多，競(jìng)爭(zhēng)激烈，至今仍沒(méi)有哪一種電池取得市場(chǎng)(Rialto)的主導(dǎo)權(quán)。鋰離子電池的研究日漸成熟，而作為鋰離子電池的換代產(chǎn)品，聚合物鋰電池更是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，有望在電動(dòng)車(chē)方面發(fā)揮作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 |
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