聚合物鋰電池與電動車輛的進展

www.sail-shipping.com 來源：中國電動車信息網　　　電動車商情網作者：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展起來的先進蓄電池，除具有一般液態鋰電池的優良特性外，還有尺寸小、重量輕、設計靈活等特點，因此世界(Mondi)各大電池公司均把這一生產技術看作是未來(Futura)發展的重點，以期在電子、通訊及電動車輛等高科技領域中發揮優勢。本文收集報道了國內外研究機構、電池廠商在此領域的研究動態和發展成果。關鍵詞：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）、循環壽命長（1000次）、自放電率低（12%月-1）、無記憶效應和無污染的新型鋰離子蓄電池研制成功。這條消息在當時令國際電池界，特別是鋰電池界感到震驚，并立即在世界(Mondi)范圍內掀起了繼MH-Ni蓄電池之后的鋰離子蓄電池研究和產業化熱潮。短短幾年內，這種電池從提出設想到如今已達到年產幾百萬只的生產水平，它主要應用于移動電話、小型報錄像機和筆記本電腦等領域。然而到1998年以后鋰離子電池出現供過于求的趨勢，價格下降幅度較大，業內人士認為其產量與價格已達到新的理性發展階段。與此同時，一種新型的鋰電池脫穎而出，它采用固態的或膠體態的聚合物電解質代替“傳統”的液態電解質，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”鋰離子電池高比能量和長壽命的性能外，還有特殊的穩定性和易加工性，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年開始發展，其中研究實力強大的組織機構有美國的USABC（美國先進電池聯合會），日本的“新陽光(Sunbeam)計劃”，歐洲的“Joule計劃”，其宗旨是發展用于電動車，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）已達到試生產階段。其它不少單位也均研制成功性能各異的樣品電池。開發電動車用鋰蓄電池是擴大其應用領域的方向之一，但從目前的發展狀況來看，離實用化還有差距。 1、聚合物鋰電池的進展 1999年電池界引人注目的就是聚合物鋰電池。它是液態鋰離子蓄電池的基礎上發展起來的。與其它蓄電池相比，它具有比能量高、電壓高、循環壽命長、安全性好和無記憶效應等特點，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。電解質是膠狀的或完全是固體的，沒有漏液的擔心。也沒必要一定在金屬殼內，可以放在塑料外殼內，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電池技術結合了液體和聚合物兩者的優點，即它的惰性聚合物基質可以吸收大量的液體溶液，又可通過迭層結合的方法實現連續生產。我們目前的研究結果表明這種電池已達到了在室溫下1C速率循環1500圈后仍保持初始容量的80%的水平，且能量密度達到約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廠家，日本湯淺公司隨后也宣布計劃大批量生產這種電池，但在1998年并沒有出現在容量方面與液態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業化生產化計劃［2］在產品特征上，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)塞爾也是最早生產聚合物鋰電池的廠家，電池厚度僅是液態鋰離子電池的一半。產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。據美國著名的商業咨詢公司Kline報道［3］，最近索尼、松下電子工業（MBI）和Thmas＆Betts(T＆B)三家公司對鋰離子聚合物電池進行聯合商業化生產。這是該項技術發展中的一個重要里程碑。該公司預計固態或膠狀電解質的鋰離子電池將在五年內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，這項技術不會只是小范圍的應用，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技術進行商業化，較大的鋰離子電池生產商如Sanyo,Toshiba及其他小一些的公司也將在今年進入鋰電池市場(Rialto)。Powerdex公司的產品已取得Motorola公司認證，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。國內也有近十家公司正在進行或準備進行產業化生產。廈門寶龍工業有限公司于1998年建立中試生產線，經過兩年的生產工藝的探索，將科研成果很好地轉化為生產力，實現產業化生產，目前產品已頗具規模。該公司主要生產如諾基亞、廈華、摩托羅(Toro)拉等多種品牌的手機電池，電池厚度均在8mm以下，其主要產品的性能指標如表3所示。此外，它還開發出用于專業攝象機、礦井燈用電池以及聯想、紫光筆記本電腦等電池，而掌上電腦和軍用產品等新品電池正在開發中。我國電動的研究開發近年來勢頭也越來越強大，已經進入有組織、有領導的全面發展階段。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業工程�，F在各國所研制的電動汽車大多采用鉛酸電池，我國所出現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。目前風帆公司及鎮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)，目前產品多以MH-Ni電池為主。與汽油發動機并用的復合式電動汽車。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這樣的復合電動汽車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展前途，也強化了電動汽車用電池的研究。1999年各汽車公司相繼發表了許多復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合式電動汽車上的應用已展開。作為電動汽車應用，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，而且鋰電池技術的發展很快，在成本和安全問題上取得了突破性進展。美國汽車巨頭與電力研究所（EPRI）在能源部的贊助下，共同組建了一個聯合體USABC（美國先進電池聯合會）。由它向電池制造廠商、研究院所訂立合同，規定了中期、長期電池性能指標（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（見表6）。由此看來達到USABC的目標還有一定距離。此外，美國電池協會（USABC）還提出，聚合物鋰電池的發展目標是在五年內實現EV電池產業化。而在EV-15大會上，Letuomeau作了題為“電動車用聚合物鋰電池進展”的專題報告，指出這一目標的實現不會太遙遠，聚合物鋰電池具有EV電池產業化生產所需的能量指標、循環壽命和安全性。有關專家認為，誰掌握了體積小、重量輕、持續行程遠、安全性能好、生產成本低的電動汽車用蓄電池是極具發展潛力的，誰就能獲得電動汽車市場(Rialto)的主導權。從這一點來看，聚合物鋰電池將逐漸占領充電電池市場(Rialto)。但產品是因市場(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。從長遠的觀點來看，電動車蓄電池仍是必然的發展需求，因此研究開發的競爭將更趨激烈。 3.結論 1.固態鋰電池，作為充電電池的前沿技術，具有設計靈活、性能優良、價格合理和安全性等綜合特性，國內外廠家對該產品的產業化生產作了大量的投入。 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)的主導權。鋰離子電池的研究日漸成熟，而作為鋰離子電池的換代產品，聚合物鋰電池更是人們關注的熱點，有望在電動車方面發揮作用，進而實現產業化。