鋰電池四大技術(shù)難題制約電動(dòng)汽車的發(fā)展

　　一、正極材料

　　鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳錳鈷三元材料及磷酸鐵鋰等。其中，磷酸鐵鋰由于具有另外幾種材料所不具備的循環(huán)壽命、安全和材料成本方面的潛在優(yōu)勢(shì)，而被業(yè)界看作理想的正極材料。目前存在的問題，一是主要原料電子級(jí)碳酸鋰（碳酸鋰含量在99.5%以上）大部分來自進(jìn)口，二是磷酸鐵鋰生產(chǎn)技術(shù)也來自國(guó)外。

　　據(jù)了解，電子極碳酸鋰可由鋰礦石或鹽湖中提取出碳酸鋰再提純而來。我國(guó)鋰資源居世界第二，但由于技術(shù)問題，國(guó)內(nèi)礦石提取碳酸鋰再提純?yōu)殡娮訕O碳酸鋰的產(chǎn)量很低。鹽湖提取電子級(jí)碳酸鋰目前還沒有產(chǎn)品問世。所以只能從國(guó)外大量進(jìn)口電子級(jí)碳酸鋰。因?yàn)檫M(jìn)口量大，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)企業(yè)基本沒有定價(jià)權(quán)，完全由國(guó)外廠商說了算。

　　在技術(shù)上，我國(guó)磷酸鐵鋰發(fā)展本來與國(guó)際基本同步，但國(guó)內(nèi)尚未誕生真正的領(lǐng)軍企業(yè)，行業(yè)缺乏原始創(chuàng)新技術(shù)。目前，國(guó)際上在磷酸鐵鋰電池行業(yè)處于領(lǐng)先地位的企業(yè)主要有3家，分別是美國(guó)的高博（A123）公司和威能（Valence）公司以及加拿大的佛斯泰克（Phostech）公司。磷酸鐵鋰技術(shù)在國(guó)外被看作戰(zhàn)略性技術(shù)，美國(guó)、加拿大等政府為此不惜以國(guó)家的力量參與技術(shù)壁壘的建立。

　　在磷酸鐵鋰材料領(lǐng)域，有兩大核心技術(shù)專利，其中一個(gè)是包敷碳技術(shù)，另一個(gè)是碳熱還原技術(shù)。前者由加拿大佛斯泰克公司擁有獨(dú)家使用權(quán)，并且已經(jīng)在我國(guó)申請(qǐng)專利。后者的專利權(quán)由美國(guó)高博公司所有，目前尚未在我國(guó)申請(qǐng)專利，但是該公司現(xiàn)已在蘇州成立了2家公司，分別負(fù)責(zé)磷酸鐵鋰材料的生產(chǎn)和電池制造。磷酸鐵鋰電池方面的核心專利被幾家外國(guó)公司掌握，外國(guó)公司專利轉(zhuǎn)讓至中國(guó)企業(yè)將會(huì)面臨高昂的專利許可費(fèi)，對(duì)該產(chǎn)業(yè)構(gòu)成巨大的潛在威脅。

　　要想擺脫在產(chǎn)業(yè)鏈中低端、被動(dòng)的地位，就要從三方面努力：一是通過技術(shù)研發(fā)從而加快國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰專利申請(qǐng)。二是圍繞國(guó)外企業(yè)的核心專利在外圍進(jìn)行布局。三是加強(qiáng)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池組合控制方面的研究。
二、電解液

　　電解液在鋰電池正、負(fù)極之間起到傳導(dǎo)電子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證。電解液一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。

　　鋰電池主要使用的電解質(zhì)有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。但用高氯酸鋰制成的電池低溫效果不好，有爆炸的危險(xiǎn)，日本和美國(guó)已禁止使用。而用含氟鋰鹽制成的電池性能好，無爆炸危險(xiǎn)，適用性強(qiáng)，特別是用六氟磷酸鋰制成的電池，除上述優(yōu)點(diǎn)外，將來廢棄電池的處理工作相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)生態(tài)環(huán)境友好，因此該類電解質(zhì)的市場(chǎng)前景十分廣泛。

　　目前電解液配套基本已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但軟肋是占電解液成本約一半的電解質(zhì)六氟磷酸鋰，國(guó)內(nèi)基本沒有企業(yè)能夠生產(chǎn)。

　　目前六氟磷酸鋰市場(chǎng)被幾家日本企業(yè)如關(guān)東電化學(xué)工業(yè)、蘇特瑞克秘法（SUTERAKEMIFA）、森田化學(xué)等壟斷。全球六氟磷酸鋰產(chǎn)能在4000噸/年左右。日本這3家廠商其產(chǎn)能在3430噸/年，占全球產(chǎn)能的85%左右。我國(guó)天津金牛電源材料有限責(zé)任公司目前的產(chǎn)能只有250噸/年，并且不對(duì)外出售。國(guó)內(nèi)電解液生產(chǎn)廠家所用的六氟磷酸鋰主要從日本和德國(guó)進(jìn)口。

　　出現(xiàn)這一狀況的的主要原因是六氟磷酸鋰的技術(shù)門檻相當(dāng)高。六氟磷酸鋰要求純度高、水分低，但由于產(chǎn)品本身極易吸潮分解，因此生產(chǎn)難度極大，對(duì)原料及設(shè)備要求苛刻，屬于典型的高科技、高危生產(chǎn)環(huán)境、高難生產(chǎn)的‘三高’技術(shù)產(chǎn)品。六氟磷酸鋰的三大主要原料是五氯化磷、無水氫氟酸和氟化鋰，其中又以后兩者的生產(chǎn)難度最大，需要國(guó)內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)工藝上取得突破。

三、隔膜

　　隔膜在鋰電池中起著防止正、負(fù)極短路的作用，并在鋰電池充放電過程中提供鋰離子運(yùn)輸通道。簡(jiǎn)而言之，隔膜就是一層多孔的塑料薄膜。但它直接影響了電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能。在鋰電池的部件中它是技術(shù)含量最高的，占鋰電池成本的20%～30%。而目前我國(guó)80%的鋰電池隔膜依靠進(jìn)口。

　　隔膜技術(shù)含量高的原因在于它的造孔工藝難度大。目前國(guó)際上隔膜的主流產(chǎn)品是經(jīng)橫向和縱向精密拉伸的單層聚丙烯（PP）納米微孔膜、單層聚乙烯（PE）納米微孔膜、PP/PE/PP三層復(fù)合納米微孔膜等類型。以雙向精密拉伸法來生產(chǎn)PE、PP隔膜，是一個(gè)多步驟、復(fù)雜而精密的加工過程，包括吹塑、流延制膜、連續(xù)精密拉伸等多個(gè)重要環(huán)節(jié)。國(guó)產(chǎn)隔膜在厚度的均勻度和孔的均勻度上與國(guó)外存在很大差距。目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本被幾家實(shí)力強(qiáng)大的國(guó)外廠商掌控，如美國(guó)的卡爾格德（Celgard）、恩特凱（Entek），日本的旭化成、東燃等。

　　國(guó)內(nèi)許多企業(yè)都在嘗試突破國(guó)外技術(shù)壁壘，開發(fā)鋰電池隔膜，但難度較大。難度主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：一是傳統(tǒng)制備隔膜工藝的相關(guān)專利基本被美國(guó)和日本的少數(shù)企業(yè)所壟斷，我國(guó)在生產(chǎn)技術(shù)方面缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；二是國(guó)內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)隔膜的關(guān)鍵技術(shù)方面特別是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面較為欠缺，很多企業(yè)在小試時(shí)往往能夠拿出較好的樣品，但大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品的一致性較差；三是我國(guó)在新工藝、新方法的研究方面與國(guó)際同步，但新的工藝往往對(duì)設(shè)備和工藝過程控制要求較高，我國(guó)的精密加工設(shè)備基礎(chǔ)比較薄弱，限制了產(chǎn)業(yè)化。

　　盡管難度大，但是國(guó)產(chǎn)隔膜已經(jīng)開始起步?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些企業(yè)在國(guó)產(chǎn)化方面已取得了一些技術(shù)突破，如深圳市星源材質(zhì)科技股份有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、河南新鄉(xiāng)格瑞恩新能源材料股份有限公司等，這些公司都已生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋰電池隔膜，但目前大多是供應(yīng)中、低端市場(chǎng)，還需要膜技術(shù)的進(jìn)一步成熟。

　　隨著新能源汽車的逐漸推廣，到2012年，預(yù)計(jì)新能源汽車將令鋰電池隔膜的需求量翻10倍。解決了隔膜的國(guó)產(chǎn)化問題，不僅對(duì)鋰電池行業(yè)，對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展都將具有革命性的意義。
四、負(fù)極

　　負(fù)極材料技術(shù)含量比較低，一般用石墨做負(fù)極，是國(guó)內(nèi)鋰離子電池四大關(guān)鍵組件中唯一實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的材料。

　　國(guó)內(nèi)企業(yè)在技術(shù)含量低的領(lǐng)域，做得頗有成就。深圳貝特瑞新能源材料有限責(zé)任公司、上海杉杉科技有限公司等已經(jīng)躋身世界級(jí)公司。其中，深圳貝特瑞市場(chǎng)占有率已居全球第二。客戶包括松下、三星、日立、比亞迪等130多家廠商。

　　但是，石墨負(fù)極材料雖成功商品化，可由于碳作為負(fù)極總是存在一些難以克服的弱點(diǎn)，未來肯定要被非碳材料取代。因?yàn)槭陔娊庖褐袝?huì)形成鈍化膜，該膜雖可傳遞鋰離子，但會(huì)引起能量的損耗。而且當(dāng)電池過充電時(shí)，石墨負(fù)極表面會(huì)析出金屬鋰從而引起電池短路。隨著溫度的升高，嵌鋰狀態(tài)下的石墨負(fù)極將首先與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，有可能會(huì)生成易燃?xì)怏w，發(fā)生燃燒。所以石墨不是最理想的負(fù)極材料，尋找性能更為良好的非碳負(fù)極材料是鋰離子電池研究的重要課題。

　　盡管當(dāng)前人們正在廣泛研究了各種非碳負(fù)極材料，特別是近年來納米結(jié)構(gòu)的非碳負(fù)極材料（如錫的復(fù)合氧化物、鈦氧化合物及鈦酸鹽類化合物等）受到越來越多的鋰電工作者的關(guān)注，但是這些材料還有許多問題沒有解決，仍然無法大量應(yīng)用，還需要生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)。