聚合物鋰電池與電動車輛的進(jìn)展

www.guilinhy.com 來源：中國電動車信息網(wǎng)　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-1-6 1

摘要：聚合物鋰電池是新近發(fā)展起來的先進(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)計靈活等特點，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(Futura)發(fā)展的重點，以期在電子、通訊及電動車輛等高科技領(lǐng)域中發(fā)揮優(yōu)勢。本文收集報道了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、電池廠商在此領(lǐng)域的研究動態(tài)和發(fā)展成果。關(guān)鍵詞：聚合物鋰電池電動車 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（1000次）、自放電率低（12%月-1）、無記憶效應(yīng)和無污染的新型鋰離子蓄電池研制成功。這條消息在當(dāng)時令國際電池界，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)幾百萬只的生產(chǎn)水平，它主要應(yīng)用于移動電話、小型報錄像機(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)供過于求的趨勢，價格下降幅度較大，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為其產(chǎn)量與價格已達(dá)到新的理性發(fā)展階段。與此同時，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，可以說是新一代的二次電池。大容量鋰蓄電池約于1995年開始發(fā)展，其中研究實力強(qiáng)大的組織機(jī)構(gòu)有美國的USABC（美國先進(jìn)電池聯(lián)合會），日本的“新陽光(Sunbeam)計劃”，歐洲的“Joule計劃”，其宗旨是發(fā)展用于電動車，航天和儲能方面的實用電池。1996年索尼公司首次向世界(Mondi)展示了用鋰離子蓄電池驅(qū)動的電動車，法國SAFT公司則在1998年宣布，電動車用鋰離子蓄電池（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。開發(fā)電動車用鋰蓄電池是擴(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來看，離實用化還有差距。 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、安全性好和無記憶效應(yīng)等特點，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(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意的。作聚合物鋰電池，其優(yōu)點有兩個，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，沒有漏液的擔(dān)心。也沒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，即它的惰性聚合物基質(zhì)可以吸收大量的液體溶液，又可通過迭層結(jié)合的方法實現(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)廠家，日本湯淺公司隨后也宣布計劃大批量生產(chǎn)這種電池，但在1998年并沒有出現(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，聚合物鋰電池已開始投放市場(Rialto)，因此1999年可以稱為聚合物鋰電池元年，表2為日本各電池廠家聚合物電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)化計劃［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，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)美國著名的商業(yè)咨詢公司Kline報道［3］，最近索尼、松下電子工業(yè)（MBI）和Thmas＆Betts(T＆B)三家公司對鋰離子聚合物電池進(jìn)行聯(lián)合商業(yè)化生產(chǎn)。這是該項技術(shù)發(fā)展中的一個重要里程碑。該公司預(yù)計固態(tài)或膠狀電解質(zhì)的鋰離子電池將在五年內(nèi)占所有銷售的鋰離子電池的20%-25%，并在10年中會接近30億-40億只。它還指出，這項技術(shù)不會只是小范圍的應(yīng)用，它能夠滿足用戶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(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)。廈門寶龍工業(yè)有限公司于1998年建立中試生產(chǎn)線，經(jīng)過兩年的生產(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，它還開發(fā)出用于專業(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發(fā)中。我國電動的研究開發(fā)近年來勢頭也越來越強(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年由國家科委組織了“電動汽車實施方案”綜合評審會，將電動汽車項目列入國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程。現(xiàn)在各國所研制的電動汽車大多采用鉛酸電池，我國所出現(xiàn)的大多汽車樣車也是用它做電源。這是由于它的價格低于其它電池，而且比功率也較大。目前風(fēng)帆公司及鎮(zhèn)江蓄電池廠已在我國的改裝車上試用這種電池，其中在面包車上采用了20只12V·150Ah的電池，而小轎車上則使用10只裝電池組。但是用它們做電源的車輛，一次充電的續(xù)駛里程只能在100公里左右，最高車速約80km-h-1。存在的最大問題是均勻性差，個別電池累計不足100km就需更換。另外電池過多過重必然影響它的運載能力。因而人們都在研究新型蓄電池。電動車同時也是氫電池和鋰離子電池競爭的市場(Rialto)，目前產(chǎn)品多以MH-Ni電池為主。與汽油發(fā)動機(jī)并用的復(fù)合式電動汽車。由松下電池公司提供氫電池，豐田(TOYOTA)汽車公司制造的復(fù)合式電動汽車，在1998年冬奧會上使用，受到廣泛好評。目前該公司每月生產(chǎn)這樣的復(fù)合電動汽車3000輛，每臺售價250萬日元，比一般的燃油汽車貴70萬日元。湯淺也做了這方面的努力工作。三洋公司看到電動汽車很有發(fā)展前途，也強(qiáng)化了電動汽車用電池的研究。1999年各汽車公司相繼發(fā)表了許多復(fù)合式電動汽車方面的新聞，但從使用的情況來看，電池的重量以及高溫時充電效率仍存在問題。鋰離子電池在電動汽車以及復(fù)合式電動汽車上的應(yīng)用已展開。作為電動汽車應(yīng)用，電池成本是個決定性因素。另外，在容量大型化的時候，電池還存在有安全性問題。盡管如此，這種電池在電動汽車中的應(yīng)用仍具競爭力的。因為在安全方面，安全回路可以做得非常簡單，而且鋰電池技術(shù)的發(fā)展很快，在成本和安全問題上取得了突破性進(jìn)展。美國汽車巨頭與電力研究所（EPRI）在能源部的贊助下，共同組建了一個聯(lián)合體USABC（美國先進(jìn)電池聯(lián)合會）。由它向電池制造廠商、研究院所訂立合同，規(guī)定了中期、長期電池性能指標(biāo)（見表5）。第14屆國際電動汽車討論會（EVS-14）上美國能源部代表宣布了1996年美國四種電池的性能指標(biāo)（見表6）。由此看來達(dá)到USABC的目標(biāo)還有一定距離。此外，美國電池協(xié)會（USABC）還提出，聚合物鋰電池的發(fā)展目標(biāo)是在五年內(nèi)實現(xiàn)EV電池產(chǎn)業(yè)化。而在EV-15大會上，Letuomeau作了題為“電動車用聚合物鋰電池進(jìn)展”的專題報告，指出這一目標(biāo)的實現(xiàn)不會太遙遠(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)專家認(rèn)為，誰掌握了體積小、重量輕、持續(xù)行程遠(yuǎn)、安全性能好、生產(chǎn)成本低的電動汽車用蓄電池是極具發(fā)展?jié)摿Φ模l就能獲得電動汽車市場(Rialto)的主導(dǎo)權(quán)。從這一點來看，聚合物鋰電池將逐漸占領(lǐng)充電電池市場(Rialto)。但產(chǎn)品是因市場(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。從長遠(yuǎn)的觀點來看，電動車蓄電池仍是必然的發(fā)展需求，因此研究開發(fā)的競爭將更趨激烈。 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)計靈活、性能優(yōu)良、價格合理和安全性等綜合特性，國內(nèi)外廠家對該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)作了大量的投入。 2.電動車用電池種類多，競爭激烈，至今仍沒有哪一種電池取得市場(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，有望在電動車方面發(fā)揮作用，進(jìn)而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。