5V级电解液技术开发进展与市场分析

东莞杉杉电池材料有限公司总经理黄继宏在2014年第二届中国(成都)锂电新能源产业国际高峰论坛上,做了《5V级电解液技术开发进展与市场分析》的专题报告。

以下是黄继宏的演讲报告:

黄继宏:各位来宾下午好,我是杉杉电解液的黄继宏,下面跟大家做一下电解液方面的分享。

电池的诞生是1836年,英国的丹妮尔对“伏特电堆”进行了改良。1860年,法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池,这也是最早出现的蓄电池。接着是1956年中国建设的第一个镍镉电池厂,1960年前后开始建设研究碱性电池。1983年中国开始了镍氢电池的研究。1987年中国开始商业化生产一次锂电池,1995年中国镍氢电池商业化生产初具规模,1999年可充电锂聚合物电池形成商业化生产。随着生活的变迁,电池自诞生以来,被广泛地应用于各种领域及各类产品中,随着科技的发展,电池也发生着日新月异的变化,从最初的干电池到后面的铅酸蓄电池、镍镉/镍氢电池、锂离子电池、甚至燃料电池等。电池的发明给人类的生活带来了方便及效率,人们的生活也因电池的技术变革,发生着变迁。在这里想跟大家更多的说一下二次电池的分布,电磁电池的种类很多,除了常见的铅酸、镍氢、镍镉之外,最常见的是锂离子电池。从市场的发展速度看,进入本世纪以来,不仅是有原有的铅酸电池市场可以替代,还有一块新型的电动自行车、移动基站等所有的市场都是以锂离子为主导地位。

2013年里,全球二次电池总需求量是3.99亿kWh,其中铅酸电池反份额已经占到了3.4亿kWh,占到85.15%。锂离子电池以5150万kWh的需求量位居第二位,市场份额12.9%。其它份额不到2%。所以市场的选择足以表明,二次电池基本上就是铅酸电池和锂离子电池的对决。

锂离子电池的三大市场发展情况,最大的是通讯数码类电池,在2013年的市场占比高达62.77%,但是这个市场随着新能源行业和其它动力的发展,每年以8个点的速度下降,预计2014年通讯数码的消费类电子份额,可能在54%。预计在2015年,还不会超过50%。因为在未来的一块交通工具电动化市场以及工业储能市场上,是在逐步增大,会超过50%的份额。

在二次锂离子电池里,最重要的是涉及锂电池相关技术的革新。说到锂离子电池的相关技术,肯定脱不开材料,无论是从正极还是负极、电解液,还是隔膜,电池结构和工艺,这几项都决定了锂离子电池的技术。众所周知,正极材料从原有的钴酸锂到后续的三元材料、锰酸锂以及尖晶石的改进的锰酸锂,及后面出现的磷酸铁锂、富锂材料、镍锰材料都是未来技术革新的方面。负极材料从最初的天然石墨,到现在应用于广泛最大量的人造石墨,因为循环寿命比较好,动力方面更倾向于人造墨。也有参杂Si-C硬碳的材料。开发中的有软碳、硬碳、Si-C、硅合金、LTO等也是附近材料革新的方面。我今天重点介绍的是最相关的杉杉电解液方面的革新。

大家都知道,我们的电解液从传统的4.2V常规开始,进行到现在已经非常成熟的高电压在4.35V电位上的电解液。我们正在推广的是4.4-4.5V电解液的应用。以及下一步开发的5V电解液及后续的功能型电解液,比如阻燃电解液、低温电解液、倍率电解液等相关技术。我们在电解液开发的技术路线的想法是,随着网络的普及和发展,人们越来越追求智能化生活,现在每个人手上都不止一台智能手机,对电子产品的依赖性越来越强,对提供能源的储能设备——电池提出了新的要求——高能量密度的需求。提高能量密度的方式:一是选择高容量、高压实正负极材料;二是提高电池的工作电压。对于电解液,虽然离子电解液、固体电解液都是目前研究的热点。但短期时间内,我们认为碳酸脂为主的体系仍然是最成熟的电解液体系,很难有颠覆性的改变,开发的重点还是在添加剂的筛选、添加剂协同效应的研究、新型溶剂或锂盐的探索方面。

东莞杉杉在2012年12月份投入使用了一个新的研发中心,这也是广东省唯一一家电解液方面的研发工程中心。工程中心面积是980平方米,投资620万元,有先进的电解液分析和测试设备30余台,并且拥有独立的软包装锂离子电池测试线,我们会跟客户测试的数据形成更好的统一性。这三张图是工程中心的展示,我的工程中心主要分为五个部分:软包电池制作实验线、各类不同类型电池性能测试、电解液基本理化性能测试、各种原材料精馏提纯、电解液制造工艺等。同时预留100平米区域,为将来可能的特殊添加剂合成开发等创造条件。

主要的研发和分析设备:气相色谱仪,这个是做纯朴分析。原子吸收光谱议,做金属离子检测。气质联用仪,做未知有机物分析。离子色谱,进行离子分析。电导率仪,进行电导率。包括粘度计,带超低粘度套件,电解液粘度检测。全自动蒸汽压仪,溶剂或溶剂包的饱和和蒸气压检测、分析。介电常数仪,溶剂的介电常数检测。表面张力仪,可间接分析电解液的浸润性,对软包装进行数据的测试。

目前杉杉电解液的在研项目有以下几个方面:新型添加剂和溶剂的探索。阻燃电解液的开发持续研究,很多电解液厂都做出了阻燃电解液,但是涉及到添加剂的使用,成本非常高,所以我们希望在持续改进过程中,不仅把阻燃电解液做出来,更希望通过我们的努力降低成本,让它使用到现在的动力电池的市场上。还有高电压的电解液开发(4.35V、4.5V、5V)。高低温兼顾电解液开发,主要是针对特殊环境的使用,比如北方市场、俄罗斯市场。还有硅碳负极匹配电解液开发,上海杉杉已经出了非常好的负极材料,我们跟它匹配做一些电解液的开发。其它项目,比如钛酸锂匹配电解液开发,跟兴能方面是战略合作开发的过程中。另外是抑制亚胺锂盐等产品的开发。

下面是新型溶剂的探索,因为电解液从原理讲是非常简单的合成制作工艺,但是对里面的原材料挑选是非常严格和有技术水平的。所以我们在新型溶剂的探索方面有以下几个方面,除掉传统的溶剂之外,我们在羧酸脂类也做了开发探索,还有特殊的溶剂类,这里就不一一介绍了。今天还有杉杉电解液的技术总监宋斐女士也到了现场,大家可以在会后沟通。还有苯的衍生物以及含硫的添加剂。包括锂盐的添加剂,现在成熟的锂盐是传统的磷酸锂,现在我们还开发了新的产品,比传统的磷酸锂成本高了5倍及10倍以上,给应用带来非常不方便的使用。目前能使用到的锂盐,只能把它当做特殊的添加剂来使用。

这是高电压电解液的设计,从溶剂的纯度、添加剂的纯度、寻找新的添加剂包括控制VC类易氧化添加剂的用量、正极选择、电池设计和工艺路线,使得高电压锂达到稳定的状态来开发。这是一个性能展示,目前高电压电解液现状是4.2V-4.35基本成熟,4.4-4.5V正在市场推广种,5V正在开发当中。这是刚才说的高电压电解液的瓶颈,包括溶剂提纯、添加剂提纯、新型添加剂各方面的提纯工作。这是高低温兼顾的电解液的曲线图。我们认为,作为电解液的厂商来说,我们希望能够通过我们降低能耗、优化电解液的生产工艺以及降低溶剂纯化成本进行控制添加剂合成成本,进行资源整合和增值服务,达到跟客户的双赢工作。

这是未来的智能城市不是很全的一个图,除了智能能源、交通信号灯、数字标识、智能水表、公共交通、智能建筑等等,这只是给大家一个启示,通过我们这个行业的各方努力,希望能够更快得迎接智能城市的到来,谢谢大家。