國(guó)內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展概況及啟示

陳新傳 宋強(qiáng) 呂昊

（海軍裝備研究院, 北京 100161）

1 引言

鋰離子動(dòng)力電池具有比能量高、重量輕、綠色環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)碼產(chǎn)品、家用電器、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車、航空、航天和武器裝備等。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋰動(dòng)力電池安全性不斷提高，鋰電池單體容量越來(lái)越大，其應(yīng)用于潛艇等大型軍事裝備的可行性也不斷提高。

2 鋰離子電池發(fā)展歷程

二十世紀(jì)六十、七十年代發(fā)生的石油危機(jī)促使人們尋找新的替代能源。1962年，美國(guó)軍方的“鋰非水電解質(zhì)體系”研究報(bào)告，最早提出了把活潑金屬鋰引入到電池設(shè)計(jì)中的構(gòu)想。1973年，氟化碳鋰原電池在日本松下電器公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，商品化鋰電池面世。1978年，日本三洋公司的鋰/二氧化錳電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，鋰電池價(jià)格下降，市場(chǎng)占有率上升。鋰一次電池的成功刺激了鋰二次電池的研究熱潮。80年代末，加拿大MoLi能源公司研發(fā)的Li/Mo2鋰金屬二次電池面世，第一塊商品化鋰二次電池誕生。1991年6月，日本索尼公司將液態(tài)電解液鋰離子電池成功實(shí)現(xiàn)了商品化。自此之后，鋰離子電池在便攜式電源領(lǐng)域的市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)展。近年來(lái)，隨著一些無(wú)人電子裝備（如無(wú)人水下航行器、無(wú)人機(jī)）、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車等發(fā)展的需要，鋰離子電池以其高比能、長(zhǎng)壽命、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)備受青睞，在動(dòng)力電源領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。

3 國(guó)外鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展概況

日本索尼公司對(duì)鋰離子電池的研究開展較早，生產(chǎn)的鋰離子電池在性能上和品種上已經(jīng)具備相當(dāng)高的水平。該公司生產(chǎn)的圓柱型單體電池分為高能型和高功率型。其中高能型電池的比能量為110 Wh/kg，80%DOD的比功率300 W/kg，充放電次數(shù) 1200次。高功率型的圓柱電池80%DOD的比功率高達(dá)800 W/kg。日本三井造船生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池能以20C的倍率放電，10C左右的倍率進(jìn)行快速充電，在 3C充放電條件下循環(huán)500次，容量保持90%以上。日本湯潛公司（YAUSA）生產(chǎn)的錳酸鋰電池，比能量是鉛酸電池的3倍，計(jì)劃取代潛艇用鉛酸電池。裝有該公司鋰離子電池的無(wú)人試驗(yàn)小潛艇已于 1999年10月完成了水下試驗(yàn)。

法國(guó)SAFT公司是世界著名的鋰電池生產(chǎn)公司，其各種型號(hào)鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、UUV（無(wú)人水下航行器）以及各類便攜式電子設(shè)備上。據(jù)美國(guó)能源雜志報(bào)道，上世紀(jì)末，SAFT英國(guó)分公司就曾與英軍合作研制過(guò)一款24 V，12 Ah容量的鋰電池。目前該公司生產(chǎn)的圓柱型單體鋰離子電池比能量達(dá)到143 Wh/kg，80%DOD的比功率為345 W/kg，為裝備潛艇而制造的鋰離子動(dòng)力電池，單體容量為3000 Ah級(jí)。

德國(guó)瓦爾塔公司也在研制高能量密度型和高功率密度型電池。其高能密度型電池為方型，容量為60 Ah，比能量為115 Wh/kg，使用壽命達(dá)900 次（100%DOD）。

在上世紀(jì)末，美軍也在商品化的鋰離子電池基礎(chǔ)上展開了軍事化應(yīng)用。據(jù)美國(guó)能源雜志介紹，美國(guó)YARDNEY公司已為水下軍事裝備研制了三款鋰離子動(dòng)力電池，包括：①水下無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)（UUV）電池系統(tǒng)，總能量10 kWh，360塊單體容量8 Ah（4并90串），電壓324 V。②全電動(dòng)魚雷高功率鋰離子電池系統(tǒng)，由100塊單體容量25 Ah的鋰動(dòng)力電池組成電池組，最大功率密度650 W/kg。③袖珍潛艇裝置（ASDS-1）的高能量鋰離子電池系統(tǒng)，2005年首次安裝于ASDS-1艇，鋰離子電池總能量1.2 MWh，單體電池能量密度170～200 Wh/kg[1]。美軍在水下自動(dòng)航行器（AUV）中已應(yīng)用鋰離子電池，其功率密度達(dá)到100 Wh/kg[2]。據(jù)美國(guó)能源雜志介紹，HUGIN1000型 AUV的電池系統(tǒng)為聚合物鋰離子電池與燃料電池組合而成[3]，該系統(tǒng)性能先進(jìn)，HUGIN1000型AUV總航程已達(dá)500海里。

4 國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展概況

我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池研制始于二十世紀(jì)，起步較晚。但自2000年以來(lái)，隨著我國(guó)投入十多億資金用于支持發(fā)展電動(dòng)車和相關(guān)電池技術(shù)，以及“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的實(shí)施，有實(shí)力的國(guó)營(yíng)、民營(yíng)企業(yè)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行了開發(fā)研究，生產(chǎn)的鋰離子電池性能與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)，某些方面甚至優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品，對(duì)外出口量不斷上升。目前我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池主要包括電動(dòng)工具電池、電動(dòng)自行車電池、特種車用電池和電動(dòng)汽車用電池等，各種鋰離子動(dòng)力電池均處于產(chǎn)業(yè)化起步階段。其中電動(dòng)自行車用鋰離子電池和電動(dòng)工具用鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)相對(duì)較好，電動(dòng)汽車電池仍處于研發(fā)和配車路試階段[3]。比亞迪公司 2008年12月份推出的 F3DM 雙模式純電動(dòng)車是該公司的代表產(chǎn)品，曾一度引起國(guó)內(nèi)外轟動(dòng)，其搭載的鋰電池，輸出功率為125 kW，達(dá)到3.0升發(fā)動(dòng)機(jī)功率水平，啟動(dòng)瞬間加速能力超過(guò) 3.0升發(fā)動(dòng)機(jī)水平，鋰電池續(xù)駛里程達(dá)100公里，它比豐田研制的同類產(chǎn)品早一年時(shí)間。該公司生產(chǎn)的 E6純電動(dòng)轎車采用自行生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池，用 220 V民用電源15 min可充電80%，100 km能耗為20 kWh，現(xiàn)已上市。奇瑞的S18純電動(dòng)汽車已經(jīng)下線。該車應(yīng)用40 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，可以在半小時(shí)內(nèi)充電80%。深圳雷天公司在其網(wǎng)頁(yè)上顯示的TS-LFP7000 AHC型鋰離子動(dòng)力電池容量為7000 AH，為目前已知的單體容量最大的鋰離子動(dòng)力電池，但其安全性未知。我國(guó)某型蛙人運(yùn)載器采用100 Ah鋰離子動(dòng)力電池。某型操雷應(yīng)用聚合物鋰離子動(dòng)力電池，其單體電池容量為 45 Ah。

5 鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)

分析國(guó)內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

⑴ 鋰離子動(dòng)力電池容量已突破 500 Ah大關(guān)。國(guó)外報(bào)道的鋰離子動(dòng)力電池單體容量多為幾十至200 Ah以下的電動(dòng)汽車用電池，艇用大容量鋰離子動(dòng)力電池鮮有相關(guān)報(bào)道。國(guó)內(nèi)單體容量已突破500 Ah，并通過(guò)了國(guó)家電動(dòng)汽車安全性測(cè)試項(xiàng)目，性能良好。

⑵ 目前國(guó)內(nèi)外已商品化的鋰離子動(dòng)力電池正極材料普遍采用磷酸鐵鋰，以提高鋰電池正極材料的穩(wěn)定性和安全性。國(guó)外在繼續(xù)研發(fā)現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上還重點(diǎn)研發(fā)磷酸釩鋰正極材料，對(duì)鈷酸鋰、錳酸鋰材料的改進(jìn)性研究也從未間斷過(guò)。國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池正極材料普遍采用了磷酸鐵鋰。而某些廠家為了兼顧鋰電池的能量比和安全性，采用三元材料作為鋰電池正極材料。錳酸鋰為正極材料的鋰動(dòng)力電池電動(dòng)客車也進(jìn)行過(guò)路試，對(duì)其它正極材料的開發(fā)也在進(jìn)行。例如，某公司正在探索采用稀土元素（釔等）作為鋰電池正極材料，現(xiàn)已有相關(guān)樣品投放市場(chǎng)試用。負(fù)極材料方面，國(guó)外在非碳類負(fù)極方面已有突破，鈦酸鋰為負(fù)極材料的實(shí)際應(yīng)用化研究是目前負(fù)極材料研究的熱點(diǎn)之一，其中日本已生產(chǎn)出用鈦酸鋰做電池負(fù)極材料的電動(dòng)汽車，已投入路試，其充電時(shí)間僅為 5 min。國(guó)內(nèi)部分科研單位緊跟時(shí)代步伐，對(duì)合金負(fù)極、鈦酸鋰等非碳類負(fù)極的研究也在進(jìn)行中，但尚未見相關(guān)樣品面世。

⑴ 更加重視鋰離子動(dòng)力電池的安全性研究，甚至不惜犧牲部分重量比能來(lái)?yè)Q取鋰電池安全性；鋰離子動(dòng)力電池安全性測(cè)試試驗(yàn)要求更加嚴(yán)酷?，F(xiàn)已在電池設(shè)計(jì)、正負(fù)極材料制備工藝、電解液及其添加劑改進(jìn)、電池生產(chǎn)工藝和一體化電池保護(hù)電路等方面進(jìn)行了深入研究，并將大量研究成果運(yùn)用到了生產(chǎn)實(shí)際中。

6 啟示與展望

總之，鋰離子動(dòng)力電池是當(dāng)今動(dòng)力電池行業(yè)研究的熱點(diǎn)，是未來(lái)最有可能取代現(xiàn)有潛艇動(dòng)力電池的理想電源。世界上許多國(guó)家都已在水中兵器和小型潛艇等裝置上試用鋰離子動(dòng)力電池。隨著鋰離子動(dòng)力電池使用經(jīng)驗(yàn)的逐漸積累與生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷成熟，可以預(yù)見，鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于潛艇是必然趨勢(shì)。我國(guó)的鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展水平與國(guó)外基本相當(dāng)，具有在潛艇上應(yīng)用大容量鋰離子動(dòng)力電池的基礎(chǔ)條件。我國(guó)只有加快研制步伐，才能緊跟時(shí)代潮流，確保我國(guó)裝備性能的先進(jìn)性，在當(dāng)今高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中處于有利地位。

[1] R. Gitzendanner , F. Puglia , C. Martin , D. Carmen, E.Jones, S. Eaves. High power and high energy lithium-ion batteries for under-water applications[J].Journal of Power Sources136 （2004） 416-418.

[2] Richard A. Wilson , James W. Bales. Development and experience of a practical, pressure-Tolerant, lithium battery for underwater use[J]. Oceans 2006, Sept. 2006:P 1-5.

[3] ?istein Hasvold , Nils J. St?rkersen, Sissel Forseth,Torleif Lian. Power sources for autonomous underwater vehicles[J]. Journal of Power Sources,162 （2006） 935-942.