锂电池及其原材料

锂电池及其原材料

一、锂电池

（一）锂元素的优势

人类对锂电池的开发最初是在20世纪60年代。由于在金属中，锂元素有着最小的密度（原子量6.9）和最大的电负性（Li⁺的标准电极电势—3.4 V），故而应当具有最高的比能量。

从理论上说，不可能有其他金属元素的能量密度超过锂。但是由于锂的能量高、化学性质活泼，其抗腐蚀性及安全性不易控制，并没有得到商业化运用。20世纪70年代，松下电器研制出Li/（CF_x）_n电池，解决了上述不足，三洋公司推出LiMnO₂电池，并在计算器领域得到普及。以上所提均为一次性锂电池，最早开发成功的是加拿大Moli公司在80年代推出的Li/S₂电池，同样由于安全性因素，它并未普及。1990年SONY公司成功研制出二次锂离子电池（钴酸锂正极材料，石墨负极材料），它终于以自身的诸多优点在商业上得到广泛应用。随着电子产品的普及，体积小容量大的锂电池获得了比其他二次电池更好的发展。但是钴比较昂贵，另外有毒，所以人们一直希望寻找到新的技术。

（二）锂电池原理

锂离子电池实质上是一个Li⁺离子浓差电池：当电池充电时，Li⁺离子从正极嵌锂化合物中脱出，经过电解质溶液嵌入负极化合物晶格中，正极活性物处于贫锂状态；电池放电时，Li⁺离子则从负极化合物中脱出，经过电解质溶液再嵌入正极化合物中，正极活性物为富锂状态。为保持电荷平衡，充放电过程中应有相同数量的电子经外电路传递，与Li⁺离子一起在正、负极之间来回迁移，使正、负极发生相应的氧化还原反应，保持一定的电位。工作电位与构成正、负极的可嵌锂化合物的化学性质、Li⁺离子浓度等有关。

由于锂电池的上述原理，形成它的如下特点：

第一，比能量高。描述电池性能的指标各种各样，其中用户最关心的是它的比能量的高低，即在放出尽可能多的能量的同时有着尽可能少的自身消耗。如前所述，锂元素有着最小的密度和最大的电负性，消耗相同质量的电池材料，锂电池放出的能量明显高于同类传统电池的值。

第二，放电电压稳定。许多电子线路要求电池提供相对稳定的放电电压，它在电量用尽前的电压可接近稳压电源的水平。这个要求也是锂电池的独有特点。

第三，没有记忆效应，可随时补充充电。这样就使锂离子电池效能得到充分发挥，而镉镍电池、镍氢电池会有电量使用不完全时需要先放电后才能充电的缺点。这与锂电池的正极材料有关。

当然，锂电池也有着较明显的劣势。一是安全性，目前来看，传统锂电池发生短路甚至爆炸的几率远高于其他传统电池，锂离子电池虽有改善，但安全系数仍然较低。二是比功率的问题，在承担高负荷的情况下，锂电池的性能尚不及镉镍电池及锌银电池。三是由于锂电池的金属稀有及结构复杂而导致的成本问题。

在锂离子电池中，正极材料约占整个电池成本的40%，正极材料对锂离子电池的三个缺点起着重要的弥补作用。因此，对正极材料的研究是锂离子电池领域中的一个重要方面，包括最近《自然》杂志上关于锂电池快速充电的研究也都是集中在正极材料。

表9.4　锂电池与其他传统电池的性能比较

续　表

（三）磷酸铁锂电池

比亚迪目前开发的就是这种电池，采用改钴酸锂为磷酸铁锂作正极材料的技术。

1997年，美国得克萨斯州大学Goodenough教授首先报道了LiFePO₄作为锂离子电池正极材料的研究结果，成为LiFePO₄正极材料研究的一个里程碑。由于LiFePO₄原料来源广泛，价格低廉，环境友好，材料的热稳定性好，所制备电池的安全性能高等优点，使其在可移动电源领域，特别是电动车所

图9.4　磷酸铁锂晶胞图

需的大型动力电源，以及静态储能领域有着极大的市场前景，这种大型动力电源对材料的体积比容量要求低，而对材料价格、安全性及环保性能要求较高，从而使LiFePO₄成为目前最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料。

LiFePO₄的橄榄石型结构作为正极材料还存在着一定技术瓶颈，尤其是其电导率的提高与安全性能的表征还没有充分展开。但是其价格低廉，热稳定性好，对环境无污染，是目前最具潜力的正极材料之一。

（四）实际应用的电动车

以雪佛兰Chevy Volt电动汽车为例，当行驶里程小于64公里时，它可完全只依靠一个车载的16千瓦时锂离子电池所储备的电力来驱动。当电池的电力耗尽时，Volt则可以通过一个车载的发电机发电来为车辆提供动力，继续行驶数百公里。

与传统的电池电动汽车不同的是，Volt增程型电动车彻底消除了人们对行驶距离的顾虑，它可以使驾驶者完全不用担心由于电池电量耗尽而进退两难的尴尬。其参数如下：

●40 km/h等百公里耗电量（不含空调设备）：10度；●充电时间：15分钟（80%）；

●最大续驶里程（km）：540（包含发电机）；

●质量参数：整备质量840 kg，满载质量1 215 kg；●动力性：最高车速135 km/h；

●蓄电池类型：锂电池+超级电容；

●单价：2万欧元/辆（电池成本降及一半）。

在行驶过程中，Volt在确保车内宁静性同时，还能拥有充满激情的驾驶性能。由超过220个锂离子电池组成的电池堆为Volt提供充足的动力。Volt的电动系统可以产生大约150马力（110千瓦）、370牛•米的即时扭矩输出，从而实现161公里/小时的最高时速。较低的发动机噪声加上特殊消音材料的应用，使Volt拥有一个非常安静的驾驶环境。

根据通用汽车的测算数据显示，使用价格为3.6美元/加仑（约合人民币6.5元/升）的汽油的普通车辆，每公里成本为12美分（约合人民币0.81元），而Volt在纯电动状态下的每公里成本仅为2美分（约合人民币0.13元）。在每天不超过64公里的驾驶里程时（每年总行驶24 000公里），Volt没有任何燃油消耗，也不会排放一丝尾气。由此，Volt每年可以节省约1 500美元（约合人民币10 230元）。据通用汽车预测，如果使用夜间电价计算标准，Volt每公里的能耗成本只有一辆传统汽油车型的1/6。

根据锂电池的容量，大约每公斤的锂电池可以支持汽车行驶0.6～1.2公里。按每公斤锂电池可行驶1公里计算，要维持纯电动车连续行驶100公里，需要100公斤重的锂电池；若采用镍氢电池，电池重量将超过200公斤，钒电池则超过500公斤。

2010年底，国内上市的瑞麒M1EV是奇瑞公司推出的首款高速纯电动汽车。在动力系统方面，整车搭载了336 V 40 kW大功率电驱动系统，配备了40 Ah高性能磷酸铁锂电池，售价14.98万至22.98万元。瑞麒M1EV利用220 V民用充电即可，充电时间一般在4～6小时；还可以进行快速充电，半个小时即可充到电池电量的80%。瑞麒M1EV一次充电续驶里程可达120～150公里，每百公里仅耗电8到10千瓦时，按照我国城乡居民用电平均价格0.6元/千瓦时来计算，百公里只需要6元钱。相比高油价时代的汽车成本来说，差不多只是1/10。

二、锂的世界储量分布（一）世界锂资源

世界盐湖锂资源主要分布在智利、阿根廷、中国及美国。花岗伟晶岩锂矿床主要分布在澳大利亚、加拿大、芬兰、中国、津巴布韦、南非和刚果。印度和法国也发现了伟晶岩锂矿床，但是不具有商业开发价值，目前世界上只有少数国家拥有可经济开发利用的锂资源（表9.5）。其中盐湖锂资源占全球锂储量的70%左右，占储量基础的90%左右。据美国地质调查局（USGS）公布的报告，锂的全球总储量约为1 100万吨。

表9.5　2006年世界锂储量和储量基础（单位：万吨）

续　表

注：“世界总计”未包括阿根廷、葡萄牙、南非、俄罗斯。NA表示不能提供。

南美洲萨拉（Salar）盐湖赋存极其丰富的锂资源，萨拉盐湖分布于智利、阿根廷和玻利维亚。在阿根廷境内，翁布雷穆埃尔托（Salar de Hombre Muerto）盐湖卤水矿床海拔4 300米，卤水湖面积565平方公里，估计含锂卤水8 000亿吨，浓度为190～900 ppm；里肯（Salar de Rincon）盐湖海拔3 700米，卤水湖面积250平方公里，可开发卤水14.5亿吨，最深60米，浓度200～2 400 ppm。在玻利维亚境内，乌尤尼（Salar de Uyuni）盐湖位于玻利维亚东南，是世界上最大的盐湖，海拔3 650米，面积10 582平方公里，盐层平均深度121米，卤水浓度80～1 150 ppm，平均321 ppm，估计含锂550万吨。

（二）中国锂资源

美国地质调查局USGS的报告认为，中国的锂储量只有110万吨，占全世界的1/10。

中国花岗伟晶岩锂矿床分布于四川、新疆、河南、江西、福建、湖南和湖北，其中四川省甲吉卡伟晶岩型锂辉石矿床是世界上最好的，氧化锂含量1.28%，储量103万吨。

中国盐湖锂矿床主要分布在青海和西藏，其中青海西台吉乃尔盐湖是半干盐湖，面积780平方公里，有2层石盐，在盐层中赋存晶间卤水和孔隙卤水，氯化锂储量466万吨。西藏扎布耶盐湖湖面分为南北两部分，总面积近300平方公里，拥有碳酸锂储量240万吨，是全球第三大百万吨级盐湖。扎布耶盐湖卤水含锂量1 527 mg/L，居世界第二位，仅次于智利阿塔卡马盐湖的1 600 mg/L，为国内青海省含锂最高的东台吉乃尔盐湖锂含量的511 mg/L的三倍。其卤水已接近或达到碳酸锂的饱和点，资源的开采优势独特。

由于盐湖的锂资源丰富，而且还含钾、镁、硼等金属，随着工艺的成熟，生产成本也大大降低，因此，目前国外盐湖卤水提锂是主流生产方法，2003年，世界上90%的锂都改为从盐湖卤水中提取。中国市场上盐湖提锂仅占35%。中国盐湖提锂技术发展比较晚，从2004年开始才有所突破，目前技术水平还不完善，因而主要还是以矿石提锂为主。

表9.6　国内外卤水成分比较

三、锂的市场状况

（一）全球供需状况

据统计，2008年世界盐湖锂和矿山锂产量折算成碳酸锂为12万吨；其中70%是以碳酸锂和氯化锂形态存在，30%是以锂辉石等锂精矿产品形态存在。在2000～2008年间，全球锂行业的产量基本处于稳定增长阶段，除了个别年份外，年增长率大多在10%左右。

国际上碳酸锂的生产还是高度垄断的，有资源开采权壁垒，还有绝大多数盐湖资源都是高镁低锂型，从中提纯分离碳酸锂有一定的技术壁垒，其技术仅掌握在少数几家公司手中。

2008年国外碳酸锂产能超过9万吨，主要还是集中在智利SQM公司、美国FMC公司和德国Chemetall三家公司手中，这三家公司产能约占全球产能的70%以上。从碳酸锂的市场占有份额看，SQM占据了31%，Chemetall占据了28%，FMC占据了19%，而中国的众多厂家加到一起仅占到22%。

2008年世界锂消费量折合碳酸锂约为12.2万吨。其中80%是以锂化学产品形态消费于各个应用领域，20%是以锂矿物形态消费于陶瓷和玻璃行业。全球锂消费每年的增长率基本都比较稳定，大约为7%～8%，但是2008年受到金融危机的影响，需求和2007年持平。2008年全球锂行业折合碳酸锂的产量大约为12万吨，而全球需求量为12.2万吨，因此全球供需基本平衡。

图9.5　2002年全球锂需求结构

图9.6　2007年锂需求结构

从图9.5、图9.6中可以看出，近几年随着电子产品的普及，对锂电池的需求增加是比较快的。2002年到2007年对锂电池的需求增加了一倍。未来有可能随着电动汽车、电动自行车的发展，对锂的需求呈现暴发式的增长。

（二）中国的供需状况

中国市场上主要的锂产品是碳酸锂、氢氧化锂和金属锂，生产主要集中在新疆、四川、青海和西藏。2008年中国生产的碳酸锂大约为2万吨，氢氧化锂约为1万吨，金属锂大约为1 000吨。

国内一些企业目前纷纷扩大碳酸锂产能。西藏矿业拥有世界第三大、国内第一大的含锂盐湖扎布耶盐湖，2010年5月，西藏矿业披露定向增发预案，公司拟募资15亿元，其中近10亿元投向三个锂项目。根据定向增发方案，公司将用募集资金对现有5 000吨碳酸锂精矿产能进行技术改造，改造后产能将达到8 000吨；同时，公司将进行二期1.8万吨锂精矿的建设生产，届时将形成锂精矿年总产能2.6万吨。中信国安是另一家拥有含锂盐湖的上市公司，其子公司青海国安拥有西台吉乃尔盐湖独家开采权，该盐湖氯化锂储量为308万吨。2009年，公司生产5 000吨碳酸锂，尽管与前两年相比产量上了新台阶，但总体产能利用率仍较低，仅占目前碳酸锂产能2万吨/年的25%。中信国安的远期规划是建成年产碳酸锂3万吨的生产线。盐湖集团也在积极从盐湖中提取碳酸锂，未来我国的碳酸锂总的供给应该不存在问题。

未来我国对碳酸锂的需求增长主要来自于新能源汽车和储能电站对锂电池的需求。自2010年7月份开始，从北京到天津，从江苏到上海，从福建到深圳，从广西到四川，都纷纷开建新能源汽车充电站，其中，北京还出台了首部电动汽车充电站标准。根据规划，国家电网公司将于2015年建成1 700座公共充电站和300万个交流充电桩。这些充电站一方面需要碳酸锂等原材料，另一方面也将带动国内新能源汽车的迅速扩张，从而拉动锂电池市场。

（三）新能源汽车的影响估算

由于锂电池分为钴酸锂、复合氧化物镍钴锰酸锂（三元材料）、磷酸铁锂等，为了方便计算，按照使用碳酸锂数量来计算。

假设电动车使用的是磷酸铁锂电池（1吨磷酸铁锂所需的碳酸锂为0.23吨），一辆电动车至少需要100公斤的磷酸铁锂电池，换算成碳酸锂为0.023吨。那100万辆电动车需要的碳酸锂就是2.3万吨。考虑到现在全球每年6千万辆汽车产量，到2020年年产1 000万辆电动车是完全有可能的，这就对应23万吨碳酸锂需求。

对于电动汽车以外的其他领域，如电动自行车、手机、笔记本电脑和其他电子产品，随着其数量的增多，锂的消费量也会有比较大的扩展空间。

四、政策建议

未来的低碳经济中，新能源汽车占据重要的位置，也是各国政府加大力量争夺的一个制高点。目前新能源汽车并没有大规模商业化，最大瓶颈主要在于电池。从各方面指标来看，锂电池都要优于铅酸电池和镍氢电池。随着锂电池技术的逐步成熟，未来电动汽车技术路径选择很有可能就是锂电池。

我国的锂资源约占世界的1/10，人均拥有的锂资源并不算很丰富。但目前加拿大Sterling公司拥有中国西藏的当雄措湖全部开发权。政府应该占领未来新能源汽车的制高点，对资源进行控制，避免类似事件发生。

第一，我国政府在加大新能源车发展的同时，应该对未来新能源汽车可能需求的上游锂资源进行控制整合，避免锂矿盲目开采并被廉价卖到国外，防止锂资源的采矿权被国外廉价获取。

第二，对于国内的盐湖锂资源的开发在政策资金上给予支持，使国内的盐湖锂资源产品能够达到工业级碳酸锂的要求。

第三，对于国内的重点电池企业加大资金支持力度，建立电池技术的国家重点攻关项目，力争能够早日突破新能源汽车电池的瓶颈。