锂离子电池缓解能源紧张

　　随着对现有材料和电池设计技术的改进以及新材料的出现，锂离子电池的应用范围不断被拓展。民用已从信息产业（移动电话、PDA、笔记本电脑等）扩展到能源交通（电动汽车、电网调峰，太阳能、风能电站蓄电），军用则涵盖了海（潜艇、水下机器人）、陆（陆军士兵系统、机器战士）、天（无人飞机）、空（卫星、飞船）诸兵种，锂离子电池技术已不是一个单纯一项产业技术，它攸关信息产业的发展，更是新能源产业发展的基础技术之一，并成为现代和未来军事装备不可缺少的重要“粮食”之一。

　　黄学杰说，锂充电电池的研究早在国家863“七五”计划中就列为专题，一直进行到现在。初期主要研究锂充电电池，后来为了解决金属锂负极不稳定的问题，发展出以储锂材料为负极的锂离子电池，目前已经广泛用在了手机、笔记本电脑、MP3等电子产品上。

　　如今的锂离子电池用途远不止如此。黄学杰向记者介绍说：“日本丰田公司生产的一款混合动力汽车，百公里耗油仅3升，约为同等级普通汽车的一半，此车配备的高功率充电电池是和发动机同等重要的部件。”他表示，混合动力汽车将油和电两种能源结合使用，电池提供电能以驱动一个电动牵引电机，而发动机则在必要时转动，为电池充电或为加速提供额外的动力发动机这种混合动力汽车一旦普及，可以缓解石油、污染等问题。

　　对解决目前紧张的电力问题，锂离子电池同样可以发挥重要作用。黄学杰说：“当前我们所说的电力紧缺，其实不是现象，而是用电严重不平衡造成的。白天一些时段用电量较大，导致电力紧张，但深夜到凌晨用电少，电力又有富余。发电厂不可能根据用电的峰谷来调节发电量，这时就又需要电池发挥作用。”他告诉记者：“在日本，部分家庭配备了锂离子电池，在用电低谷时充电，高峰时使用，是一种解决电网负荷平衡的理想方式。”此外，目前所提倡的一些清洁能源如风能、太阳能等都存在类似不稳定的情况，必须与电池结合使用。

　　“不导电”的正极材料

　　锂离子电池具有能量密度高、寿命长、环保等优点，问世以后迅速取代了镉镍、镍氢等传统电池的地位，自1991年日本索尼公司率先将其商品化以后，市场范围不断扩大，仅用了十年，全球产值就超过了镉和镍氢电池之和。然而，由于材料需求量飞速增长，锂离子电池的成本问题已经日益凸现出来。如何让锂离子电池“脱胎换骨”？

　　“863计划首先在电池的新材料研究开发方面给予我们多项支持。”黄学杰介绍，正极材料是目前锂离子电池中成本最为突出的材料，同时也直接关系到电池的安全性能和电池实现大型化的可能，但传统正极材料———钴酸锂的年需求量已超过一万吨，从而导致钴价大幅攀升，资源不足已开始制约产业发展。“我们发展锰系和铁系材料，以提高电池的性价比和安全性能为宗旨，目前已经开发出高性能锰酸锂和氧空位磷酸铁锂正极材料。”

　　通过表面改性，大幅度提高锰酸锂正极材料的高温稳定性和大电流充放电能力，2004年初该材料的批量生产为混合电动汽车电池研制成功和小型动力电池的产业化提供了正极材料保障。

　　磷酸铁锂具有稳定、寿命长等优点，但却存在一个关键问题———电导率很低，不导电的材料如何能做正极材料？黄学杰笑着告诉记者：“说来有趣，解决这个问题的办法是被我们‘算’出来的。”

　　他说：“研究磷酸铁锂时，我们没有像通常那样查阅国外资料后即进行大量的改变成分和合成条件的试验，而是先进行理论计算预测和合成方法进行探索。通过性原理计算，我们发现通过掺杂，形成氧的空位能提高导电性，这一发现为材料合成指明了方向。根据我们发展出的一种独特的合成方法，制备出可逆容量达160mAh/克的氧空位磷酸铁锂材料，循环500次容量未见衰减，特别是具备高倍率（10C）放电能力。863计划一期项目验收时，与会专家一致认为这项成果居于国际水平，取得了重要的原创性成果。”他表示：“这项成果申请了3项发明专利，目前中试工作进展顺利，一次合成量由几十克级扩展到几十公斤级，已具备50千克/批次的试产能力。另外预测寿命也可达到30至40年几千次。”

　　新型材料扩展锂离子电池应用范围

　　针对钴资源短缺的问题，可以取代钴酸锂的钴镍锰酸锂正极材料也成功研制出来。黄学杰说：“这种材料属于氧化物型层状正极材料，1980年代初即被发现，合成难度远高于钴酸锂，晶型控制尤其困难，一直未获得应用，我们发展出独特的前驱体合成技术和加锂技术，80％的钴被锰和镍取代,并实现了对晶粒尺寸的控制，合成材料的可逆容量达到165mAh/克，比钴酸锂高10％以上，循环寿命达到500次。”

　　此外，项目组还发展出了一种具有自主知识产权的三氧化二铝表面修饰技术，应用于改性进尖晶石锰酸锂材料，生产出可逆容量达到107mAh/克，55C循环200次容量保持率大于90％，优于国际同类产品水平，是国内个可用于混合电池用高功率锂离子电池的材料，保障了电动汽车重大专项高功率锂离子电池项目的顺利推进。黄学杰说：“2004年，北京星恒公司基于此材料制造的高功率混合汽车用锂离子电池全面通过了863计划电动汽车重大专项组织的统一测试，功率达到1200W/千克，安全性、循环、高低温性能等测试全部通过，今年预期达到1800W/千克并通过UL认证测试。另外，星恒10Ah高能量型和7.5Ah高功率型锂离子动力电池还通过美国UL安全测试，成为中国本土个通过UL认证的锂离子动力电池，为该类电池进入国际市场铺平了道路。”

　　负极材料是锂离子电池中承担锂储存功能的关键材料，重要性同样不容忽视。黄学杰介绍：“目前应用于商品锂离子电池的石墨负极材料可逆容量均在300－340mAh/克。对此，我们开发出纳米孔硬碳球、元宵结构复合负极材料，目前复合负极材料的可逆容量已经达到600mAh/克。同时研制出石墨化纳米纤维导电添加剂，可以提高高功率电池的功率密度。”

　　他告诉记者，仅正负极材料即已申请了国内发明专利21项，其中四项获得授权，并已获得两项国际发明专利授权。

　　黄学杰最后表示：“我国的锂离子电池产业发展很快，目前已成为世界第二大锂离子电池生产国，仅次于日本。我们今后要做的就是开发大型锂离子电池的新材料，在降低成本的同时，还要让电池更加安全、长寿。”

　　■链接

　　锂离子电池是近几年出现的金属锂蓄电池的替代产品，它的阳极采用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱离电池阳极，到达锂离子电池阴极。锂离子在阳极和阴极之间移动，电极本身不发生变化。这是锂离子电池与金属锂电池本质上的差别。锂离子电池的阳极为石墨晶体，阴极通常为二氧化锂。充电时，阴极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向阳极运动与电子合成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内阳极表面电离成锂离子和电子，并在阴极处合成锂原子。所以，在该电池中锂永远以锂离子的形态出现，不会以金属锂的形态出现，所以这种电池叫做锂离子电池。

　　■数字863

　　我国的锂电池研究已持续近20年。

　　1986年至1995年，作为中科院“七五”国家重大项目，在物理所陈立泉院士的主持下，锂离子电池在实验室的研究开发过程经历了9年。

　　1996年，黄学杰接任课题组长，开始实现锂离子电池的产业化过程。

　　1997年，他们以国产设备和原材料为主，建成了国内首条年产20万只18650型锂离子电池芯的中试线，这种电池芯随后成功用于广播级摄像机电池。

　　1999年，成都地奥公司等决定投资3000余万元，就车用锂离子动力电池进行长期布局。

　　1999年11月，北京星恒电源有限公司正式成立，以锂离子动力电池为发展方向，并以公司为主体开发锂离子动力电池的核心技术，为锂离子动力电池的产业化开发奠定了基础。

　　2001年，星恒公司承担了国家电动汽车项目的高功率锂离子电池课题，开始在北京建立了中试厂。

　　2002年，在国内率先解决了锂离子动力电池的正极、负极等关键材料的安全性问题。

　　2003年，参照美国UL标准进行了锂离子动力电池(10Ah、35Ah单体电池)的安全实验，其中包括过充满电穿刺、热箱实验(150℃)、3C倍率过充到10V、挤压变形实验。

　　2004年10月，由北京星恒电源有限公司研制的高功率锂离子电池，应用于参加了在中国上海举行的必比登国际挑战赛的混合电动汽车———“超越二号”，在七个比赛项目中获得了五个A。

　　2004年12月，公司一期产品电动自行车用锂离子电池开始进入市场。