鋰電池及其原材料

一、鋰電池

（一）鋰元素的優(yōu)勢

人類對鋰電池的開發(fā)最初是在20世紀60年代。由于在金屬中，鋰元素有著最小的密度（原子量6.9）和最大的電負性（Li⁺的標準電極電勢—3.4 V），故而應(yīng)當具有最高的比能量。

從理論上說，不可能有其他金屬元素的能量密度超過鋰。但是由于鋰的能量高、化學性質(zhì)活潑，其抗腐蝕性及安全性不易控制，并沒有得到商業(yè)化運用。20世紀70年代，松下電器研制出Li/（CF_x）_n電池，解決了上述不足，三洋公司推出LiMnO₂電池，并在計算器領(lǐng)域得到普及。以上所提均為一次性鋰電池，最早開發(fā)成功的是加拿大Moli公司在80年代推出的Li/S₂電池，同樣由于安全性因素，它并未普及。1990年SONY公司成功研制出二次鋰離子電池（鈷酸鋰正極材料，石墨負極材料），它終于以自身的諸多優(yōu)點在商業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。隨著電子產(chǎn)品的普及，體積小容量大的鋰電池獲得了比其他二次電池更好的發(fā)展。但是鈷比較昂貴，另外有毒，所以人們一直希望尋找到新的技術(shù)。

（二）鋰電池原理

鋰離子電池實質(zhì)上是一個Li⁺離子濃差電池：當電池充電時，Li⁺離子從正極嵌鋰化合物中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)溶液嵌入負極化合物晶格中，正極活性物處于貧鋰狀態(tài)；電池放電時，Li⁺離子則從負極化合物中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)溶液再嵌入正極化合物中，正極活性物為富鋰狀態(tài)。為保持電荷平衡，充放電過程中應(yīng)有相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與Li⁺離子一起在正、負極之間來回遷移，使正、負極發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)，保持一定的電位。工作電位與構(gòu)成正、負極的可嵌鋰化合物的化學性質(zhì)、Li⁺離子濃度等有關(guān)。

由于鋰電池的上述原理，形成它的如下特點：

第一，比能量高。描述電池性能的指標各種各樣，其中用戶最關(guān)心的是它的比能量的高低，即在放出盡可能多的能量的同時有著盡可能少的自身消耗。如前所述，鋰元素有著最小的密度和最大的電負性，消耗相同質(zhì)量的電池材料，鋰電池放出的能量明顯高于同類傳統(tǒng)電池的值。

第二，放電電壓穩(wěn)定。許多電子線路要求電池提供相對穩(wěn)定的放電電壓，它在電量用盡前的電壓可接近穩(wěn)壓電源的水平。這個要求也是鋰電池的獨有特點。

第三，沒有記憶效應(yīng)，可隨時補充充電。這樣就使鋰離子電池效能得到充分發(fā)揮，而鎘鎳電池、鎳氫電池會有電量使用不完全時需要先放電后才能充電的缺點。這與鋰電池的正極材料有關(guān)。

當然，鋰電池也有著較明顯的劣勢。一是安全性，目前來看，傳統(tǒng)鋰電池發(fā)生短路甚至爆炸的幾率遠高于其他傳統(tǒng)電池，鋰離子電池雖有改善，但安全系數(shù)仍然較低。二是比功率的問題，在承擔高負荷的情況下，鋰電池的性能尚不及鎘鎳電池及鋅銀電池。三是由于鋰電池的金屬稀有及結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導致的成本問題。

在鋰離子電池中，正極材料約占整個電池成本的40%，正極材料對鋰離子電池的三個缺點起著重要的彌補作用。因此，對正極材料的研究是鋰離子電池領(lǐng)域中的一個重要方面，包括最近《自然》雜志上關(guān)于鋰電池快速充電的研究也都是集中在正極材料。

表9.4　鋰電池與其他傳統(tǒng)電池的性能比較

續(xù)　表

（三）磷酸鐵鋰電池

比亞迪目前開發(fā)的就是這種電池，采用改鈷酸鋰為磷酸鐵鋰作正極材料的技術(shù)。

1997年，美國得克薩斯州大學Goodenough教授首先報道了LiFePO₄作為鋰離子電池正極材料的研究結(jié)果，成為LiFePO₄正極材料研究的一個里程碑。由于LiFePO₄原料來源廣泛，價格低廉，環(huán)境友好，材料的熱穩(wěn)定性好，所制備電池的安全性能高等優(yōu)點，使其在可移動電源領(lǐng)域，特別是電動車所

圖9.4　磷酸鐵鋰晶胞圖

需的大型動力電源，以及靜態(tài)儲能領(lǐng)域有著極大的市場前景，這種大型動力電源對材料的體積比容量要求低，而對材料價格、安全性及環(huán)保性能要求較高，從而使LiFePO₄成為目前最具開發(fā)和應(yīng)用潛力的新一代鋰離子電池正極材料。

LiFePO₄的橄欖石型結(jié)構(gòu)作為正極材料還存在著一定技術(shù)瓶頸，尤其是其電導率的提高與安全性能的表征還沒有充分展開。但是其價格低廉，熱穩(wěn)定性好，對環(huán)境無污染，是目前最具潛力的正極材料之一。

（四）實際應(yīng)用的電動車

以雪佛蘭Chevy Volt電動汽車為例，當行駛里程小于64公里時，它可完全只依靠一個車載的16千瓦時鋰離子電池所儲備的電力來驅(qū)動。當電池的電力耗盡時，Volt則可以通過一個車載的發(fā)電機發(fā)電來為車輛提供動力，繼續(xù)行駛數(shù)百公里。

與傳統(tǒng)的電池電動汽車不同的是，Volt增程型電動車徹底消除了人們對行駛距離的顧慮，它可以使駕駛者完全不用擔心由于電池電量耗盡而進退兩難的尷尬。其參數(shù)如下：

●40 km/h等百公里耗電量（不含空調(diào)設(shè)備）：10度；●充電時間：15分鐘（80%）；

●最大續(xù)駛里程（km）：540（包含發(fā)電機）；

●質(zhì)量參數(shù)：整備質(zhì)量840 kg，滿載質(zhì)量1 215 kg；●動力性：最高車速135 km/h；

●蓄電池類型：鋰電池+超級電容；

●單價：2萬歐元/輛（電池成本降及一半）。

在行駛過程中，Volt在確保車內(nèi)寧靜性同時，還能擁有充滿激情的駕駛性能。由超過220個鋰離子電池組成的電池堆為Volt提供充足的動力。Volt的電動系統(tǒng)可以產(chǎn)生大約150馬力（110千瓦）、370牛?米的即時扭矩輸出，從而實現(xiàn)161公里/小時的最高時速。較低的發(fā)動機噪聲加上特殊消音材料的應(yīng)用，使Volt擁有一個非常安靜的駕駛環(huán)境。

根據(jù)通用汽車的測算數(shù)據(jù)顯示，使用價格為3.6美元/加侖（約合人民幣6.5元/升）的汽油的普通車輛，每公里成本為12美分（約合人民幣0.81元），而Volt在純電動狀態(tài)下的每公里成本僅為2美分（約合人民幣0.13元）。在每天不超過64公里的駕駛里程時（每年總行駛24 000公里），Volt沒有任何燃油消耗，也不會排放一絲尾氣。由此，Volt每年可以節(jié)省約1 500美元（約合人民幣10 230元）。據(jù)通用汽車預(yù)測，如果使用夜間電價計算標準，Volt每公里的能耗成本只有一輛傳統(tǒng)汽油車型的1/6。

根據(jù)鋰電池的容量，大約每公斤的鋰電池可以支持汽車行駛0.6～1.2公里。按每公斤鋰電池可行駛1公里計算，要維持純電動車連續(xù)行駛100公里，需要100公斤重的鋰電池；若采用鎳氫電池，電池重量將超過200公斤，釩電池則超過500公斤。

2010年底，國內(nèi)上市的瑞麒M1EV是奇瑞公司推出的首款高速純電動汽車。在動力系統(tǒng)方面，整車搭載了336 V 40 kW大功率電驅(qū)動系統(tǒng)，配備了40 Ah高性能磷酸鐵鋰電池，售價14.98萬至22.98萬元。瑞麒M1EV利用220 V民用充電即可，充電時間一般在4～6小時；還可以進行快速充電，半個小時即可充到電池電量的80%。瑞麒M1EV一次充電續(xù)駛里程可達120～150公里，每百公里僅耗電8到10千瓦時，按照我國城鄉(xiāng)居民用電平均價格0.6元/千瓦時來計算，百公里只需要6元錢。相比高油價時代的汽車成本來說，差不多只是1/10。

二、鋰的世界儲量分布（一）世界鋰資源

世界鹽湖鋰資源主要分布在智利、阿根廷、中國及美國?；◢弬ゾr鋰礦床主要分布在澳大利亞、加拿大、芬蘭、中國、津巴布韋、南非和剛果。印度和法國也發(fā)現(xiàn)了偉晶巖鋰礦床，但是不具有商業(yè)開發(fā)價值，目前世界上只有少數(shù)國家擁有可經(jīng)濟開發(fā)利用的鋰資源（表9.5）。其中鹽湖鋰資源占全球鋰儲量的70%左右，占儲量基礎(chǔ)的90%左右。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）公布的報告，鋰的全球總儲量約為1 100萬噸。

表9.5　2006年世界鋰儲量和儲量基礎(chǔ)（單位：萬噸）

續(xù)　表

注：“世界總計”未包括阿根廷、葡萄牙、南非、俄羅斯。NA表示不能提供。

南美洲薩拉（Salar）鹽湖賦存極其豐富的鋰資源，薩拉鹽湖分布于智利、阿根廷和玻利維亞。在阿根廷境內(nèi)，翁布雷穆埃爾托（Salar de Hombre Muerto）鹽湖鹵水礦床海拔4 300米，鹵水湖面積565平方公里，估計含鋰鹵水8 000億噸，濃度為190～900 ppm；里肯（Salar de Rincon）鹽湖海拔3 700米，鹵水湖面積250平方公里，可開發(fā)鹵水14.5億噸，最深60米，濃度200～2 400 ppm。在玻利維亞境內(nèi)，烏尤尼（Salar de Uyuni）鹽湖位于玻利維亞東南，是世界上最大的鹽湖，海拔3 650米，面積10 582平方公里，鹽層平均深度121米，鹵水濃度80～1 150 ppm，平均321 ppm，估計含鋰550萬噸。

（二）中國鋰資源

美國地質(zhì)調(diào)查局USGS的報告認為，中國的鋰儲量只有110萬噸，占全世界的1/10。

中國花崗偉晶巖鋰礦床分布于四川、新疆、河南、江西、福建、湖南和湖北，其中四川省甲吉卡偉晶巖型鋰輝石礦床是世界上最好的，氧化鋰含量1.28%，儲量103萬噸。

中國鹽湖鋰礦床主要分布在青海和西藏，其中青海西臺吉乃爾鹽湖是半干鹽湖，面積780平方公里，有2層石鹽，在鹽層中賦存晶間鹵水和孔隙鹵水，氯化鋰儲量466萬噸。西藏扎布耶鹽湖湖面分為南北兩部分，總面積近300平方公里，擁有碳酸鋰儲量240萬噸，是全球第三大百萬噸級鹽湖。扎布耶鹽湖鹵水含鋰量1 527 mg/L，居世界第二位，僅次于智利阿塔卡馬鹽湖的1 600 mg/L，為國內(nèi)青海省含鋰最高的東臺吉乃爾鹽湖鋰含量的511 mg/L的三倍。其鹵水已接近或達到碳酸鋰的飽和點，資源的開采優(yōu)勢獨特。

由于鹽湖的鋰資源豐富，而且還含鉀、鎂、硼等金屬，隨著工藝的成熟，生產(chǎn)成本也大大降低，因此，目前國外鹽湖鹵水提鋰是主流生產(chǎn)方法，2003年，世界上90%的鋰都改為從鹽湖鹵水中提取。中國市場上鹽湖提鋰僅占35%。中國鹽湖提鋰技術(shù)發(fā)展比較晚，從2004年開始才有所突破，目前技術(shù)水平還不完善，因而主要還是以礦石提鋰為主。

表9.6　國內(nèi)外鹵水成分比較

三、鋰的市場狀況

（一）全球供需狀況

據(jù)統(tǒng)計，2008年世界鹽湖鋰和礦山鋰產(chǎn)量折算成碳酸鋰為12萬噸；其中70%是以碳酸鋰和氯化鋰形態(tài)存在，30%是以鋰輝石等鋰精礦產(chǎn)品形態(tài)存在。在2000～2008年間，全球鋰行業(yè)的產(chǎn)量基本處于穩(wěn)定增長階段，除了個別年份外，年增長率大多在10%左右。

國際上碳酸鋰的生產(chǎn)還是高度壟斷的，有資源開采權(quán)壁壘，還有絕大多數(shù)鹽湖資源都是高鎂低鋰型，從中提純分離碳酸鋰有一定的技術(shù)壁壘，其技術(shù)僅掌握在少數(shù)幾家公司手中。

2008年國外碳酸鋰產(chǎn)能超過9萬噸，主要還是集中在智利SQM公司、美國FMC公司和德國Chemetall三家公司手中，這三家公司產(chǎn)能約占全球產(chǎn)能的70%以上。從碳酸鋰的市場占有份額看，SQM占據(jù)了31%，Chemetall占據(jù)了28%，F(xiàn)MC占據(jù)了19%，而中國的眾多廠家加到一起僅占到22%。

2008年世界鋰消費量折合碳酸鋰約為12.2萬噸。其中80%是以鋰化學產(chǎn)品形態(tài)消費于各個應(yīng)用領(lǐng)域，20%是以鋰礦物形態(tài)消費于陶瓷和玻璃行業(yè)。全球鋰消費每年的增長率基本都比較穩(wěn)定，大約為7%～8%，但是2008年受到金融危機的影響，需求和2007年持平。2008年全球鋰行業(yè)折合碳酸鋰的產(chǎn)量大約為12萬噸，而全球需求量為12.2萬噸，因此全球供需基本平衡。

圖9.5　2002年全球鋰需求結(jié)構(gòu)

圖9.6　2007年鋰需求結(jié)構(gòu)

從圖9.5、圖9.6中可以看出，近幾年隨著電子產(chǎn)品的普及，對鋰電池的需求增加是比較快的。2002年到2007年對鋰電池的需求增加了一倍。未來有可能隨著電動汽車、電動自行車的發(fā)展，對鋰的需求呈現(xiàn)暴發(fā)式的增長。

（二）中國的供需狀況

中國市場上主要的鋰產(chǎn)品是碳酸鋰、氫氧化鋰和金屬鋰，生產(chǎn)主要集中在新疆、四川、青海和西藏。2008年中國生產(chǎn)的碳酸鋰大約為2萬噸，氫氧化鋰約為1萬噸，金屬鋰大約為1 000噸。

國內(nèi)一些企業(yè)目前紛紛擴大碳酸鋰產(chǎn)能。西藏礦業(yè)擁有世界第三大、國內(nèi)第一大的含鋰鹽湖扎布耶鹽湖，2010年5月，西藏礦業(yè)披露定向增發(fā)預(yù)案，公司擬募資15億元，其中近10億元投向三個鋰項目。根據(jù)定向增發(fā)方案，公司將用募集資金對現(xiàn)有5 000噸碳酸鋰精礦產(chǎn)能進行技術(shù)改造，改造后產(chǎn)能將達到8 000噸；同時，公司將進行二期1.8萬噸鋰精礦的建設(shè)生產(chǎn)，屆時將形成鋰精礦年總產(chǎn)能2.6萬噸。中信國安是另一家擁有含鋰鹽湖的上市公司，其子公司青海國安擁有西臺吉乃爾鹽湖獨家開采權(quán)，該鹽湖氯化鋰儲量為308萬噸。2009年，公司生產(chǎn)5 000噸碳酸鋰，盡管與前兩年相比產(chǎn)量上了新臺階，但總體產(chǎn)能利用率仍較低，僅占目前碳酸鋰產(chǎn)能2萬噸/年的25%。中信國安的遠期規(guī)劃是建成年產(chǎn)碳酸鋰3萬噸的生產(chǎn)線。鹽湖集團也在積極從鹽湖中提取碳酸鋰，未來我國的碳酸鋰總的供給應(yīng)該不存在問題。

未來我國對碳酸鋰的需求增長主要來自于新能源汽車和儲能電站對鋰電池的需求。自2010年7月份開始，從北京到天津，從江蘇到上海，從福建到深圳，從廣西到四川，都紛紛開建新能源汽車充電站，其中，北京還出臺了首部電動汽車充電站標準。根據(jù)規(guī)劃，國家電網(wǎng)公司將于2015年建成1 700座公共充電站和300萬個交流充電樁。這些充電站一方面需要碳酸鋰等原材料，另一方面也將帶動國內(nèi)新能源汽車的迅速擴張，從而拉動鋰電池市場。

（三）新能源汽車的影響估算

由于鋰電池分為鈷酸鋰、復(fù)合氧化物鎳鈷錳酸鋰（三元材料）、磷酸鐵鋰等，為了方便計算，按照使用碳酸鋰數(shù)量來計算。

假設(shè)電動車使用的是磷酸鐵鋰電池（1噸磷酸鐵鋰所需的碳酸鋰為0.23噸），一輛電動車至少需要100公斤的磷酸鐵鋰電池，換算成碳酸鋰為0.023噸。那100萬輛電動車需要的碳酸鋰就是2.3萬噸?？紤]到現(xiàn)在全球每年6千萬輛汽車產(chǎn)量，到2020年年產(chǎn)1 000萬輛電動車是完全有可能的，這就對應(yīng)23萬噸碳酸鋰需求。

對于電動汽車以外的其他領(lǐng)域，如電動自行車、手機、筆記本電腦和其他電子產(chǎn)品，隨著其數(shù)量的增多，鋰的消費量也會有比較大的擴展空間。

四、政策建議

未來的低碳經(jīng)濟中，新能源汽車占據(jù)重要的位置，也是各國政府加大力量爭奪的一個制高點。目前新能源汽車并沒有大規(guī)模商業(yè)化，最大瓶頸主要在于電池。從各方面指標來看，鋰電池都要優(yōu)于鉛酸電池和鎳氫電池。隨著鋰電池技術(shù)的逐步成熟，未來電動汽車技術(shù)路徑選擇很有可能就是鋰電池。

我國的鋰資源約占世界的1/10，人均擁有的鋰資源并不算很豐富。但目前加拿大Sterling公司擁有中國西藏的當雄措湖全部開發(fā)權(quán)。政府應(yīng)該占領(lǐng)未來新能源汽車的制高點，對資源進行控制，避免類似事件發(fā)生。

第一，我國政府在加大新能源車發(fā)展的同時，應(yīng)該對未來新能源汽車可能需求的上游鋰資源進行控制整合，避免鋰礦盲目開采并被廉價賣到國外，防止鋰資源的采礦權(quán)被國外廉價獲取。

第二，對于國內(nèi)的鹽湖鋰資源的開發(fā)在政策資金上給予支持，使國內(nèi)的鹽湖鋰資源產(chǎn)品能夠達到工業(yè)級碳酸鋰的要求。

第三，對于國內(nèi)的重點電池企業(yè)加大資金支持力度，建立電池技術(shù)的國家重點攻關(guān)項目，力爭能夠早日突破新能源汽車電池的瓶頸。