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2020-2026年磷酸铁锂电池行业市场分析及“十四五”发展趋势预测

2020-2026年磷酸铁锂电池行业市场分析及“十四五”发展趋势预测

 

 

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料有很多种,主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料,而其它正极材料由于多种原因,目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。从材料的原理上讲,磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程,这一原理与钴酸锂,锰酸锂完全相同。

长寿命:铅酸电池的循环寿命在300次左右,最高也就500次,磷酸铁锂电池,而磷酸铁锂动力电池,循环寿命达到2000次以上,标准充电(5小时率)使用,可达到2000次。同质量的铅酸电池也就1~1.5年时间,而磷酸铁锂电池在同样条件下使用,将达到7-8年。综合考虑,性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。

电池性能:锂离子动力电池的性能主要取决于正负极材料,磷酸铁锂作为锂电池材料是近几年才出现的事,国内开发出大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的,这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧,穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易串联使用。以满足电动车频繁充放电的需要。具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜,寿命长等优点,是新一代锂离子电池的理想正极材料。

该项目属于高新技术项目中功能性能源材料的开发,是国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高技术产业发展规划重点支持的领域。

锂离子电池的正极为磷酸铁锂材料。这种新材料不是以往的锂离子电池正极材料LiCoO2;LiMn2O4;LiNiMO2。其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的,这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧,不爆炸。穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易并串联使用。

工作原理:所有锂电池的结构和工作原理大致相同,磷酸铁锂电池的电池的内部结构如下图所示。左边是橄榄石结构的磷酸铁锂材料作为电池的正极,由铝箔与电池正极连接,中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过,右边是由碳(石墨)组成的电池负极,由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质,电池由金属外壳密闭封装。

LiFePO4电池的内部结构

磷酸铁锂电池在充电时,正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中,负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

磷酸铁锂电池的主要用途:磷酸铁锂电池的主要应用领域:

(1)储能设备:基于太阳能、风能等发电系统的储能设备

(2)高功率电动工具;电锤、电钻、除草机等;

(3)轻型电动车辆?电动自行车、 休闲车、 高尔夫球车、电动推高机、混合动力汽车;

(4)小型医疗设备:电动轮椅车,电动代步车;

(5)其它小型电器矿灯、玩具;

(6)启动电源:汽车、摩托车、铁路内燃机车、电力机车、客车起动电源;

(7)固定型电源:主要用于通讯、移动基站、电信、铁路运输、电力、、金融、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源

(8)军事领域:军队现场电子指挥系统、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。

磷酸铁锂电池是用来做锂离子二次电池的,现在主要方向是动力电池,相对NI-MH,Ni-Cd电池有很大优势。其产品充放电效率高,超过99%,而铅酸电池约为80%。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。

锰酸锂、镍酸锂、钴酸锂、三元复合材料和磷酸铁锂电池比较:

(1)五种电池比较分析:

1、LiCoO2在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的LiCoO2作为正极材料。其理论容量为274mAh/g,实际容量为140mAh/g左右,也有报道实际容量已达155mAh/g。该正极材料的主要优点为:工作电压较高(平均工作电压为3.7V)、充放电电压平稳,适合大电流充放电,比能量高、循环性能好,电导率高,生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为:价格昂贵,抗过充电性较差,循环性能有待进一步提高。

2、LiNiO2用于锂离子电池正极材料的LiNiO2具有与LiCoO2类似的层状结构。其理论容量为274mAh/g,实际容量已达190mAh/g~210mAh/g。工作电压范围为2.5-4.2V。该正极材料的主要优点为:自放电率低,无污染,与多种电解质有着良好的相容性,与LiCoO2相比价格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺点:LiNiO2的制备条件非常苛刻,这给LiNiO2的商业化生产带来相当大的困难;LiNiO2的热稳定性差,在同等条件下与LiCoO2和LiMn2O4正极材料相比,LiNiO2的热分解温度最低(200℃左右),且放热量最多,这对电池带来很大的安全隐患;LiNiO2在充放电过程中容易发生结构变化,使电池的循环性能变差。这些缺点使得LiNiO2作为锂离子电池的正极材料还有一段相当的路要走。

3、LiMn2O4用于锂离子电池正极材料的LiMn2O4具有尖晶石结构。其理论容量为148 mAh/g,实际容量为90~120 mAh/g。工作电压范围为3~4V。该正极材料的主要优点为:锰资源丰富、价格便宜,安全性高,比较容易制备。缺点是理论容量不高;材料在电解质中会缓慢溶解,即与电解质的相容性不太好;在深度充放电的过程中,材料容易发生晶格崎变,造成电池容量迅速衰减,特别是在较高温度下使用时更是如此。为了克服以上缺点,近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物LiMnO2。该正极材料的理论容量为286 mAh/g,实际容量为已达200 mAh/g左右。工作电压范围为3~4.5V。虽然与尖晶石结构的LiMn2O4相比,LiMnO2在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高,但仍然存在充放电过程中结构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变化,从而引起电极体积的反复膨胀和收缩,导致电池循环性能变坏。而且LiMnO2也存在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对LiMnO2进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。

4、LiFePO4该材料具有橄榄石晶体结构,是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其理论容量为170 mAh/g,在没有掺杂改性时其实际容量已高达110 mAh/g。通过对LiFePO4进行表面修饰,其实际容量可高达165 mAh/g,已经非常接近理论容量。工作电压范围为3.4V左右。与以上介绍的正极材料相比,LiFePO4具有高稳定性、更安全可*、更环保并且价格低廉。LiFePO4的主要缺点是理论容量不高,室温电导率低。基于以上原因,LiFePO4在大型锂离子电池方面有非常好的应用前景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市场竞争力,LiFePO4却面临以下不利因素:

(1)来自LiMn2O4、LiMnO2、LiNiMO2正极材料的低成本竞争;

(2)在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料;

(3)LiFePO4的电池容量不高;

(4)在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能,如应用于手机与笔记本电脑;

(5)LiFePO4急需提高其在1C速度下深度放电时的导电能力,以此提高其比容量。

(6)在安全性方面,LiCoO2代表着目前工业界的安全标准,而且LiNiO2的安全性也已经有了大幅度的提高,只有LiFePO4表现出更高的安全性能,尤其是在电动汽车等方面的应用,才能保证其在安全方面的充分竞争优势。

5、锂-钒氧化物电池以锂为阳极、钒氧化物为阴极、无机盐的有机溶剂为电解质组成。它的特点是可以充电。以 2 号电池为例,将锂-钒氧化物电池与锂-二氧化锰电池及锂-亚硫酰氯电池相比较。由于锂-钒氧化物电池的额定电压仅为 2.8v,而且额定容量也小,故与其它两种锂电池相比,其比能量是最小的。此外,其充电次数(循环寿命)也不长,所以这种可充电电池不久就由锂离子电池替代了。

钴酸锂性能稳定,目前应用于手机等的技术最为成熟,但应用的最大缺点就是成本高,钴是比较稀缺的战略性金属;另外应用于动力电池方面也有一定的难度。

锰酸锂与磷酸铁锂与锰酸锂相比,磷酸铁锂的容量密度更高,前者为 100-115mAH/g,后者为130-140mAH/g;充放电寿命更长,前者为 500 次以上,后者可达 1500 次以上;工作温度区间更大,前者为 0 至 50,后者则为-40 至 70。同时,磷酸铁锂的成本也要低于锰酸锂。但其致命弱点则是“导电性”不好,目前解决这一问题的主流技术有用导电碳包覆颗粒、用金属氧化物包覆颗粒、用纳米制程让颗粒微粒化等。若该问题得到有效解决,磷酸铁锂的巨大优势将促其成为动力电池的首选材料

6、在动力锂电池领域,由于钴酸锂电池的安全问题和高昂的价格,使其一直在动力电池门外徘徊,始终没有完全进入动力电池领域。现在的情况是钴酸锂电池和锰酸锂电池小批量配合使用,但是由于其固有的缺陷,使得其始终没有大批量的进行商业化运作,产品只是在小批量试生产阶段,目前大规模的商业化运作还有一些难以克服的困难。

磷酸铁锂电池与传统电池性能比较

 

总之,磷酸铁锂制作电池正极材料与锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂以及三元正极材料相比较是最好的。尤其是安全性能可靠,循环寿命长,价格相对较低,是其他材料无法比拟的。

市场应用:目前,磷酸铁锂电池主要在电动汽车中应用,近两年开始逐步走入通信行业。在三大运营商中,中国移动(微博)对磷酸铁锂电池的应用相对较多,中国电信(微博)和中国联通(微博)则更谨慎一些。

特别是随着5G新基建的启动,中国移动等运营商也发布了对磷酸铁锂电池的招标。据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国磷酸铁锂电池市场运营格局及投资潜力研究预测报告》统计数据显示:如2020年中国移动率先发布招标公告,将采购6.102亿Ah磷酸铁锂电池(约合1.95GWh),最高投标限价不含税金额约为25.08亿元。中国铁塔3月11日也宣布将大规模采购磷酸铁锂电池,采购规模约为2GWh。

发展前景:在动力电池领域磷酸基正极材料依其超长的循环寿命,极好的安全性能,较好的高温性能,极其低廉的价格,而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等,使其成为最有希望的动力电池材料,其在未来的5年内可能会成镍镉电池的主要替代品,在未来的10年内会成为铅酸电池的有力竞争者,在未来的20年内可能会取代铅酸电池,成为主要的启动电源、UPS电源和后备电源,成为二次电池的老大。

特别是在5G基站功率达到4G基站的3.5倍时,原有备用电池容量不能满足备电要求,而能量密度更高的磷酸铁锂电池有望被重用。如果把中国移动现有的普通铅酸电池全部替换成磷酸铁锂电池,市场规模高达8000亿元。