東莞杉杉電池材料有限公司總經理黃繼宏在2014年第二屆中國(成都)鋰電新能源產業(yè)國際高峰論壇上,做了《5V級電解液技術開發(fā)進展與市場分析》的專題報告。

以下是黃繼宏的演講報告:

黃繼宏:各位來賓下午好,我是杉杉電解液的黃繼宏,下面跟大家做一下電解液方面的分享。

電池的誕生是1836年,英國的丹妮爾對“伏特電堆”進行了改良。1860年,法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的電池,這也是最早出現的蓄電池。接著是1956年中國建設的第一個鎳鎘電池廠,1960年前后開始建設研究堿性電池。1983年中國開始了鎳氫電池的研究。1987年中國開始商業(yè)化生產一次鋰電池,1995年中國鎳氫電池商業(yè)化生產初具規(guī)模,1999年可充電鋰聚合物電池形成商業(yè)化生產。隨著生活的變遷,電池自誕生以來,被廣泛地應用于各種領域及各類產品中,隨著科技的發(fā)展,電池也發(fā)生著日新月異的變化,從最初的干電池到后面的鉛酸蓄電池、鎳鎘/鎳氫電池、鋰離子電池、甚至燃料電池等。電池的發(fā)明給人類的生活帶來了方便及效率,人們的生活也因電池的技術變革,發(fā)生著變遷。在這里想跟大家更多的說一下二次電池的分布,電磁電池的種類很多,除了常見的鉛酸、鎳氫、鎳鎘之外,最常見的是鋰離子電池。從市場的發(fā)展速度看,進入本世紀以來,不僅是有原有的鉛酸電池市場可以替代,還有一塊新型的電動自行車、移動基站等所有的市場都是以鋰離子為主導地位。

2013年里,全球二次電池總需求量是3.99億kWh,其中鉛酸電池反份額已經占到了3.4億kWh,占到85.15%。鋰離子電池以5150萬kWh的需求量位居第二位,市場份額12.9%。其它份額不到2%。所以市場的選擇足以表明,二次電池基本上就是鉛酸電池和鋰離子電池的對決。

鋰離子電池的三大市場發(fā)展情況,最大的是通訊數碼類電池,在2013年的市場占比高達62.77%,但是這個市場隨著新能源行業(yè)和其它動力的發(fā)展,每年以8個點的速度下降,預計2014年通訊數碼的消費類電子份額,可能在54%。預計在2015年,還不會超過50%。因為在未來的一塊交通工具電動化市場以及工業(yè)儲能市場上,是在逐步增大,會超過50%的份額。

在二次鋰離子電池里,最重要的是涉及鋰電池相關技術的革新。說到鋰離子電池的相關技術,肯定脫不開材料,無論是從正極還是負極、電解液,還是隔膜,電池結構和工藝,這幾項都決定了鋰離子電池的技術。眾所周知,正極材料從原有的鈷酸鋰到后續(xù)的三元材料、錳酸鋰以及尖晶石的改進的錳酸鋰,及后面出現的磷酸鐵鋰、富鋰材料、鎳錳材料都是未來技術革新的方面。負極材料從最初的天然石墨,到現在應用于廣泛最大量的人造石墨,因為循環(huán)壽命比較好,動力方面更傾向于人造墨。也有參雜Si-C硬碳的材料。開發(fā)中的有軟碳、硬碳、Si-C、硅合金、LTO等也是附近材料革新的方面。我今天重點介紹的是最相關的杉杉電解液方面的革新。

大家都知道,我們的電解液從傳統的4.2V常規(guī)開始,進行到現在已經非常成熟的高電壓在4.35V電位上的電解液。我們正在推廣的是4.4-4.5V電解液的應用。以及下一步開發(fā)的5V電解液及后續(xù)的功能型電解液,比如阻燃電解液、低溫電解液、倍率電解液等相關技術。我們在電解液開發(fā)的技術路線的想法是,隨著網絡的普及和發(fā)展,人們越來越追求智能化生活,現在每個人手上都不止一臺智能手機,對電子產品的依賴性越來越強,對提供能源的儲能設備——電池提出了新的要求——高能量密度的需求。提高能量密度的方式:一是選擇高容量、高壓實正負極材料;二是提高電池的工作電壓。對于電解液,雖然離子電解液、固體電解液都是目前研究的熱點。但短期時間內,我們認為碳酸脂為主的體系仍然是最成熟的電解液體系,很難有顛覆性的改變,開發(fā)的重點還是在添加劑的篩選、添加劑協同效應的研究、新型溶劑或鋰鹽的探索方面。

東莞杉杉在2012年12月份投入使用了一個新的研發(fā)中心,這也是廣東省唯一一家電解液方面的研發(fā)工程中心。工程中心面積是980平方米,投資620萬元,有先進的電解液分析和測試設備30余臺,并且擁有獨立的軟包裝鋰離子電池測試線,我們會跟客戶測試的數據形成更好的統一性。這三張圖是工程中心的展示,我的工程中心主要分為五個部分:軟包電池制作實驗線、各類不同類型電池性能測試、電解液基本理化性能測試、各種原材料精餾提純、電解液制造工藝等。同時預留100平米區(qū)域,為將來可能的特殊添加劑合成開發(fā)等創(chuàng)造條件。

主要的研發(fā)和分析設備:氣相色譜儀,這個是做純樸分析。原子吸收光譜議,做金屬離子檢測。氣質聯用儀,做未知有機物分析。離子色譜,進行離子分析。電導率儀,進行電導率。包括粘度計,帶超低粘度套件,電解液粘度檢測。全自動蒸汽壓儀,溶劑或溶劑包的飽和和蒸氣壓檢測、分析。介電常數儀,溶劑的介電常數檢測。表面張力儀,可間接分析電解液的浸潤性,對軟包裝進行數據的測試。

目前杉杉電解液的在研項目有以下幾個方面:新型添加劑和溶劑的探索。阻燃電解液的開發(fā)持續(xù)研究,很多電解液廠都做出了阻燃電解液,但是涉及到添加劑的使用,成本非常高,所以我們希望在持續(xù)改進過程中,不僅把阻燃電解液做出來,更希望通過我們的努力降低成本,讓它使用到現在的動力電池的市場上。還有高電壓的電解液開發(fā)(4.35V、4.5V、5V)。高低溫兼顧電解液開發(fā),主要是針對特殊環(huán)境的使用,比如北方市場、俄羅斯市場。還有硅碳負極匹配電解液開發(fā),上海杉杉已經出了非常好的負極材料,我們跟它匹配做一些電解液的開發(fā)。其它項目,比如鈦酸鋰匹配電解液開發(fā),跟興能方面是戰(zhàn)略合作開發(fā)的過程中。另外是抑制亞胺鋰鹽等產品的開發(fā)。

下面是新型溶劑的探索,因為電解液從原理講是非常簡單的合成制作工藝,但是對里面的原材料挑選是非常嚴格和有技術水平的。所以我們在新型溶劑的探索方面有以下幾個方面,除掉傳統的溶劑之外,我們在羧酸脂類也做了開發(fā)探索,還有特殊的溶劑類,這里就不一一介紹了。今天還有杉杉電解液的技術總監(jiān)宋斐女士也到了現場,大家可以在會后溝通。還有苯的衍生物以及含硫的添加劑。包括鋰鹽的添加劑,現在成熟的鋰鹽是傳統的磷酸鋰,現在我們還開發(fā)了新的產品,比傳統的磷酸鋰成本高了5倍及10倍以上,給應用帶來非常不方便的使用。目前能使用到的鋰鹽,只能把它當做特殊的添加劑來使用。

這是高電壓電解液的設計,從溶劑的純度、添加劑的純度、尋找新的添加劑包括控制VC類易氧化添加劑的用量、正極選擇、電池設計和工藝路線,使得高電壓鋰達到穩(wěn)定的狀態(tài)來開發(fā)。這是一個性能展示,目前高電壓電解液現狀是4.2V-4.35基本成熟,4.4-4.5V正在市場推廣種,5V正在開發(fā)當中。這是剛才說的高電壓電解液的瓶頸,包括溶劑提純、添加劑提純、新型添加劑各方面的提純工作。這是高低溫兼顧的電解液的曲線圖。我們認為,作為電解液的廠商來說,我們希望能夠通過我們降低能耗、優(yōu)化電解液的生產工藝以及降低溶劑純化成本進行控制添加劑合成成本,進行資源整合和增值服務,達到跟客戶的雙贏工作。

這是未來的智能城市不是很全的一個圖,除了智能能源、交通信號燈、數字標識、智能水表、公共交通、智能建筑等等,這只是給大家一個啟示,通過我們這個行業(yè)的各方努力,希望能夠更快得迎接智能城市的到來,謝謝大家。