纳米级磷酸铁锂技术突破孕育锂动力电池产业进步

2011-04-18 18:49:07来源: 中国证券报

  本报3月15日刊登“锂电池产业格局或生变”一文正不断引起锂电池产业界重视,4月15日本报记者第二次专访了位于成都高新区的成都黄铭公司董事长黄铭先生,对公司6月份即将达产的1万吨50纳米级磷酸铁锂产业化进展,以及与下游锂电池企业的合作进展进行了详细调研。由于公司在常温常压下利用液相法,能够大规模生产50纳米级高纯度磷酸铁锂正极材料,其在高低温工作性能、大功率充放电、大容量、安全性及循环次数方面超越锰酸锂、镍锰钴三元材料等现有主流电池正极材料,其综合替代优势有望改变上下游产业链格局,降低锂电池产业成本20%以上,行业格局或迎来一轮调整。

  黄铭表示,特别是为了充分释放50纳米级以下磷酸铁锂大功率充放电的性能,结合公司在提纯技术上的积累,公司已开始了不含氢氟酸杂质的六氟磷酸锂配套电解液的新生产工艺研发,预计将在年内完成并产业化,将逐步改变电解液过渡依赖日本进口的现状。这意味着纳米磷酸铁锂如果用于动力电池和大型储能电池领域,其大功率性能和安全性将同时满足,特别是电池充电时间将大幅缩短,这将解决动力电池使用便利性问题。

  目前公司在四川广汉的1万吨生产线将在6月份达产,目前公司与下游电池厂已陆续形成了一些战略合作意向,该技术的大规模产业化对下游产业的影响正逐步扩大。而由于公司的生产原料对锂源的纯度要求很低,依靠锂原料纯度来控制正极材料纯度的思维方式被打破,价格高居不下的电池级锂源将受到冲击。

  自今年2月底这则消息首先出现在成都高新区网站以来,刚开始并未立即引起业界重视,甚至在该科技成果接受国家认定为国际领先水平之后,很多业内专家仍持争议和震惊态度。追其缘由不难发现,过去十多年,借助磷酸铁锂技术和工艺突破实现我国锂动力产业弯道超车,曾经是我国新能源产业界一个美好的梦。然而,大量的企业和科研机构在这条技术路线上的无功而返,加之对磷酸铁锂性能缺陷的惯性认识和现有生产工艺技术的理论缺陷认识不足,对磷酸铁锂技术路线的质疑声早已汇成了“否定共识”的海洋,这则消息被“共识”所淹没更是情理之中。

  也许任何革命性技术初露端倪总会饱受争议,为了求证这一事实,中国证券报记者与成都黄铭公司取得了联系,并与之保持了充分的交流和跟踪。技术发明人黄铭通过对热力学经典理论“玻色-爱因斯坦”统计分布理论的重大修正和创新,建立了“非独立粒子体系”热力学统计物理新理论,并在多溶剂萃取方法、高温回溶结晶技术、胶体温差陈化结晶法和极性筛过滤法四项工艺上形成新的突破,避免了大量且繁琐的试探性实验,在业界率先完成常温常压下液相法物质纯化合成工艺,可大批量生产出世界上纯度及一致性最好、颗粒小于50纳米级的锂电池正极材料,且具有工艺先进、成本低廉、低碳环保等特点。这一突破有望使整个产业成本降低20%以上,并且使锂动力电池的使用寿命大幅延长,充电时间大幅缩短,同时能满足容量型和功率型的要求,其大规模产业化将改变锂动力电池、锂储能电池及相关应用行业格局。

  圆梦中国式弯道超车

  翻阅相关资料发现,磷酸铁锂的分子结构本身具有成本低、安全性和循环性高的特性,磷酸铁锂曾经被业界认为是实现我国新能源领域弯道超车的突破点。然而决定其容量的能量密度、大规模充放电性能一直是业界困扰的矛盾,这给业界提出了不少现实问题,比如分子颗粒需要足够小,纯度要求近乎苛刻,以及完美的碳包覆技术等等,这些都是水热法固相法等传统高成本、高耗能生产工艺方法无法逾越的瓶颈。

  为了使这一梦想实现,近几年来我国掀起了一轮磷酸铁锂研究热,由于多数研究基于的是传统理论和工艺,每年数十亿的投入并未带来令人振奋的结果,包括加入研究行列的美国A123公司、Valence公司等也未取得令人满意的突破。而这一时期日韩等国成功将锰酸锂电池应用到电动汽车上,逐步替代了镍氢电池,包括通用旗下Volt电动汽车在内的多数汽车厂商采用了锰系锂电池。这给中国的磷酸铁锂路线提出了严峻的命题,要么尽快突破,要么适可而止转型它路。

  转型之痛似乎在暗示,磷酸铁锂已经走到了尽头,大多数行业专家和企业家甚至公开表示磷酸铁锂不可能成为主流动力电池正极材料,行业龙头企业和上市公司也纷纷将投资重心转向锰酸锂或三元材料。

  不破则不立,黄铭先生认识到,磷酸铁锂路线的成功不仅需要新的提纯合成工艺、新的技术装备和碳包覆技术等,更需要基础理论的创新。为此,他首先对传统“玻色-爱因斯坦”热力统计公式进行了修正,考虑进了分子间弱相互作用力,准确计算出了各种物质分子层面的相关数据,避免了走反复实验获取经验数据的弯路;在提纯合成工艺上,独创的多溶剂液相法能够在常温常压下按需求将磷酸铁锂进行纯度控制,并实现在50纳米以下的碳包覆,而对锂源、铁源、磷源材料的纯度要求极低,使制造成本大幅下降,该工艺技术可广泛应用于有机物和无机物的纯化、分离和合成,若应用于稀土、钒钛上的意义将会非常重大。

  目前,目前已大批量生产出的纳米磷酸铁锂不仅各项参数稳定,而且得到了良好的结果:由于磷酸铁锂颗粒达到均匀的50纳米时,其内阻大幅降低,大功率充放电性能实现了质的飞跃,其他指标中的振实密度达0.8-1.2g/cm3,比表面积达20-50 m2/g,克容量稳定在145-170mAh/g;在宽温带的工作性能上,经信产部化学物理电源产品质量监督检验中心认定,在零下20摄氏度时,其蓄电池放电容量达额定容量的91%,在零上55度时,这一比率为95%,零上20度时,比率为88%,宽温带的高工作比率可扩展锂电池的应用领域;循环性上,蓄电池在循环500次后,容量达额定容量90%以上,而单体电池的循环测试还在进行之中,仅目前已完成的循环次数就可以支持成组后蓄电池寿命实现倍数级提升。

  产业链面临基因重组

  目前公司在成都高新西区已形成年产600吨纳米磷酸铁锂的产能,设立在四川广汉经济开发区万吨级产业化的生产基地也将逐步量产,今年将形成3000吨的生产能力,并有望很快实现1万吨以上的产能。

  不断提速的产业化进程将打破现有产业生态格局:首先,替代性优势有望使正极材料行业重新洗牌和整合,固相法和水热法等高成本制造路线面临淘汰;其次,由于对锂源材料纯度的要求大幅降低,上游碳酸锂行业将面临重新估值,原先依赖上游矿石纯度提升正极材料性能的格局即将被打破,工业级和电池级碳酸锂的纯度差异已不再是决定因素,碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂等基础原料的整体价值和不同纯度的价差将被产业重新评估;再次,下游相关产业的技术路线将面临重新选择,大量下游应用行业将在磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等技术路线之间重新选择,而磷酸铁锂的综合优势将使我国在锂动力领域奠定重要地位。

  行业竞争格局上,除了成本和性能优势,锰酸锂路线因含稀贵金属,其环保安全、极为有限的储量问题成了不可回避的劣势;而基于镍锰钴的三元材料,其制造成本和绿色环保的缺陷更加明显,特别是生产过程中镍元素为有毒重金属,钴元素有辐射风险,这些因原材料导致的固有瑕疵无法通过技术彻底消除。

  上游行业方面,因在液相法前期阶段即可实现在常温常压下除杂质和碳包覆,进入后段时杂质不会留在磷酸铁锂前躯体中,这一提纯合成工艺实际消除了对上游原材料纯度的高依赖性。上游碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂行业将面临重新估值,电池级碳酸锂价格高居不下的现状将被彻底改变。目前,国内外上游企业投入了大量资源在卤水提锂与矿石提锂技术改进上,需求推动也导致碳酸锂价格近几年呈现总体上升态势,特别是电池级及以上纯度的碳酸锂价格高居不下,黄铭公司的这项技术将使上游原料价格进入一轮下降通道,相关的企业估值将被市场重新定位。

  目前,全球已探明的基础锂资源达2600万吨,这项技术对原料行业的影响可能会是深远的。国金证券研究所曾预测,预计2012年锂电池对电池级碳酸锂的需求将超过4万吨,2015年将接近8万吨,年均需求增速约为25%。因对原料纯度的依赖性被弱化,电池级碳酸锂的未来需求及产业价值需重新修正。

  下游产业上,目前国外锂电巨头通过合资建厂或签订供应协议的方式,陆续进入中国电动汽车动力锂电池的供应体系,例如美国A123 公司、韩国SK能源、韩国LG化学、丹麦Lynx等纷纷进入中国市场。同时,日韩企业凭借锰酸锂技术也打入了欧美混合动力车和纯电动车体系,但全球供应体系基本没有磷酸铁锂的影子。而黄铭公司的高性能磷酸铁锂有望打破现有供应格局,这项新技术的市场替代效应将逐步体现,而与之配套的电池厂商也有望在全球市场站稳脚跟。

  成都黄铭公司的经验表明,各行各业都存在着弯道超车的可能性,至少在存在多种技术路线的前沿领域,执着的努力和打破惯性思维的勇气也许会收获意想不到的硕果。未来公司将坚持以大幅低于其他正极材料产品的价格销售,为我国相关配套产业快速发展壮大营造难得的低成本优势,推动我国锂动力及新能源产业在全球体系中分享更多产业价值。

关键字:铁锂  动力电池  技术路线  固相法  水热法

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0418/article_3576.html
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