第四届中国(广州)国际电池与储能技术博览会

 

暨第九届中国锂电产业峰会

 


2019年5月7-9日 广州琶洲·国际采购中心1.2.3号馆
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锂电池难以撼动启动型铅酸蓄电池江湖地位的5大

发表时间:2016-01-09   浏览次数:
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目前锂离子电池主要应用在手机、平板电脑等3C类电子产品领域,在已经商业化的电池中具备最高的能量密度,但是仍然不能满足人们的需求,为什么?归结起来一句话,有限的空间内塞不进去更大的电芯。

 

  铅酸电池之所以在启动电源领域占据统治地位而不被锂离子电池取代,自有其原因:

  1 需求

  目前锂离子电池主要应用在手机、平板电脑等3C类电子产品领域,在已经商业化的电池中具备最高的能量密度,但是仍然不能满足人们的需求,为什么?归结起来一句话,有限的空间内塞不进去更大的电芯。锂离子电池自1990年索尼公司商业化以来虽然在制造工艺和研发新材料方面不断进步,但是其反应机理和商业化的正负极材料(石墨和钴酸锂)基本没有发生本质的变化。所以相对于电子产品遵从摩尔定律的升级速度来说显然跟不上脚步,但是人们对3C产品的体积、重量又有着严格的要求,所以能够提供给电池的空间有限,故只能在续航上做出让步;

  但是汽车则不同,他能够提供足够大的电池存放空间,虽然锂离子电池具有较高的能量密度,但是为了节省掉那一点点空间而更改全套的供电和用电系统,如 @梁睿智 所言,这显然是一个费事耗力的事情,需要一系列的用电零部件配合;从成本上来说不划算,在空间成本和相关配套元件的更改成本选择上,汽车厂商更愿意选择前者,毕竟这么点空间相对整个汽车来说并不是多大的事情。

  所以从需求程度上来说,厂商对启动电源更换为锂离子电池的意愿并不强烈。

  2 性能

  尽管大家都公认锂离子电池有一统江湖的趋势,但是至少在两个方面他是弱于铅酸电池的,而这两点在汽车启动电源上更是招招致命:低温性能和大电流性能。

  首先说低温性能,铅酸电池在低温下的放电性能其实还是很不错的,在-10℃的温度下以10C倍率放电时,10V以上的电压保持时间能够大于90s,这足以应付中国绝大多数地区的恶劣环境;而锂离子电池的低温性能要差上许多,尤其是呼声最高的LiFePO4(磷酸铁锂)材料,其低温下的放电性能将会急剧衰减,在东北和西北地区很难实现实际应用,或者说距离实际应用还有很远的路要走。

  其次是大电流特性,汽车在启动时的瞬间电流大都在200A以上,豪华轿车可能更高。就目前的锂离子电池正负极材料石墨和钴酸锂而言,二者都不属于高功率型的负极材料,在高倍率下性能急剧下降;而当前研究比较成熟的高功率型负极材料Li4Ti5O12(钛酸锂)和正极材料LiFePO4,他们自身又存在很大的硬伤,前者是胀气,后者则是批次性和低温性能差,二者都会导致电池性能的快速衰减,还有可能带来安全隐患。

  3 安全性

  启动电源使用在汽车上大都是固定在发动机舱的位置,且具有较高的密闭性,因此安全性对汽车来说至关重要,几百安的电流瞬间释放出来所带来的热量和潜在危险不言而喻。

  铅酸电池的安全性在目前的电池系统里属于极高的等级,首先,大电流性能优异意味着电池不容易发生意外;其次,即便发生意外,正负极材料都是铅的化合物,而电解液还是硫酸溶液,三者都不易燃,只能是导致周围的零部件燃烧。

  而锂离子电池的负极材料是石墨,碳材料的一种,易燃性就不需要多说了。电解液是酯类溶剂和锂盐,酯类溶剂不仅易燃而且还有极强的挥发性(实验室开关手套箱所带来的芳香气味大都拜它所赐),一旦大量放热或者在汽车碰撞时容易发生燃烧甚至爆炸,将事故推高一个等级,后果不堪设想。同时,还有一个重要的因素不可忽略,锂离子电池在大电流放电时容易在负极形成锂枝晶,刺穿隔膜导致电池内部短路进而爆炸,这在锂电界是一个共识。其实其他的问题还有很多,比如电池长期处于高荷电态(SOC)下带来的电极材料稳定性等也是一个较大的问题,目前关于其研究还不多,许多机理还不清楚,等等,锂离子电池的安全性问题太多了,在这里就不一一说明了。

  4 成本

  在成本上看,铅酸电池的成本毫无疑问是最低的,无论是电极材料,电解液还是装配环境要求等都远远低于锂离子电池。

  就电极材料而言,锂离子电池电极材料大都需要复杂的工艺制备,且要经过一个高温热处理过程(石墨化温度大于2000度,正极材料也大都需要七八百度),成本大都在15-20w/吨以上,石墨可能会低一些;铅酸电池使用的氧化铅和硫酸铅相对来说成本会低很多。电解液的话锂离子电池使用多个酯类溶剂价格较高,而且对含水量有严格的要求,大都在几十个ppm以内,电解质盐六氟磷酸锂不仅贵而且还容易分解,造成危险,分解产物之一就是恐怖的HF,百度一下即可知道它的危害!而铅酸电池则是硫酸溶液,这个就不需要多说了吧。

  5 环境

  目前社会上的呼声大都说铅酸电池污染环境,锂离子电池对环境友好等,其实这是一个很大的误区,之前由于南方小铅酸电池厂太多不注意环保而大肆排放,而且加上国家想要缩减铅酸电池的规模,大力发展新能源,因此媒体的论调也有较强的针对性,实际并非如此。

  目前铅酸电池相对于锂离子电池而言做得最好的部分就是回收机制。现在铅酸电池主要应用在电动自行车和启动电源领域,这两个领域都有很强的针对性,那就是用户在换电池时都回到专门的店里去更换,为什么?可以把旧电池折成钱买新的啊!根据我的观察,广大的县城乡镇电动自行车主基本都有这样的意识,汽车更不必说。这些废旧的电池基本都会再回到专门的铅板回收工厂进行二次处理重新制备电极材料。

  锂离子电池你见过有专门的机构回收再用来制备电极材料吗?不好意思,我没见过。原因如下:第一,锂离子电池应用领域太广,这就决定了他的回收难度;第二,锂离子电池大都是小型的,平常大家手机或者mp3等不用了大都是直接扔了或者卖了,这些电池最后基本都躺在了垃圾桶里面,虽然锂离子电池里面重金属较少,只有正极材料含有钴金属,但是扛不住全世界这么大的用户体量啊,长期来看,这还是个问题,不过目前并没有机构很重视这个问题,国家应该在这个问题上会越来越重视的。

  所以总的来看铅酸电池只要在制造过程中注意好相关的环保措施是没有问题的,因为在使用中都是密封免维护的,最终又会有相对应的回收机制。

  总结

  笔者有幸去过国内的江森自控蓄电池公司上海和长兴工厂,感觉公司的保护机制做得非常到位,电池的制造自动化程度也很高;在汽车启动电源领域,国内最好的公司是风帆(保定)和骆驼(襄阳)。在电动自行车领域,国内最好的则是超威和天能(浙江长兴),根据在里面工作的同学的经验,大都在环保上做得很不错。

  其实铅酸电池绝对算是化学电源界的一颗常青树,诞生至今已经有一百多年了,近年来虽然一直说要用锂离子电池来取代,但是我觉得在一些领域暂时是根本无法取代的,至少三五十年内是不可能的。大家要用发展的眼光看问题,铅酸电池的研究也一直在进步,目前在汽车启动电源领域依然是无敌的存在,锂离子电池还有很长的路要走,还年轻(25岁),希望日后能有更高端的电池出现并取代之!