产5000吨磷酸铁锂产业化项目.doc
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1、5000吨/年锂电池材料磷酸铁锂产业化可行性研究报告 2010年10月磷酸铁锂产业化可行性研究报告项目名称:锂离子电池正极材料磷酸铁锂产业化承担单位: 合作单位:承担单位负责人: 承担单位联系人: 电 话: 传 真: 电子信箱: 编制日期:2010年9月目 录1项目概况11.1项目名称11.2项目承担单位11.3项目负责人11.4项目提出的背景和依据12项目环境与发展前景分析93.1项目产品(或技术)主要应用领域103.2国内外产品(或技术)现状与发展趋势113.3产业化关联度分析(含对行业技术进步的作用)173.4项目产品(或技术)市场需求预测184项目研究开发主要内容194.1技术成果来源
2、及知识产权情况194.2研究开发的现有基础194.3研究开发的主要内容(含关键技术)255设备招标346原材料供应与外协配套367动力供应与辅助设施378厂房建设与土建工程379环境保护与职业安全卫生3910研发人员组织管理与激励机制3911项目实施计划4012投资估算4212.1 投资估算依据、构成及构成比例4212.2项目新增总投资及年度投资计划表4413资金来源与投资回报4413.1资金来源4413.2投资回报4414经济效益初步分析4514.1批量生产的产销量规划4514.2批量生产的经济效益初步分析(成本、价格、销售收入、销售税金及附加、税后利润等)4515结论与建议461项目概况1
3、.1项目名称锂离子电池正极材料磷酸铁锂产业化1.2项目概况近年来,随着锂离子电池应用持续升温,其产业仍呈现高速增长的态势。国家发改委最新发布的产业结构调整指导目录,把锂离子电池等高技术绿色电池的制造作为高新技术产业放在了优先发展的位置。磷酸铁锂正极材料产业化的实施可极大地促进我国锂离子电池产业的发展,并可获得较高的经济效益。1.2.1应用范围的不断增加,使锂离子电池市场空间迅速扩大锂离子电池是“二次电池”,又名“锂离子蓄电池”,其发展最早始于6070年代的世界石油危机时期。经过近20年的探索,终于在1990年,由日本的Sony能源公司和意大利的Moli能源公司率先开发出以碳材料为负极、以LiC
4、oO2为正极的锂离子电池。自此以后,锂离子电池获得了飞速发展。进入新世纪,以锂离子二次电池正极材料和锂离子二次电池生产为代表的中国新能源产业虽起步迟,但其发展也相当迅速,可以说是种类齐全,各显神通。据专家预测:在今后五年内全球锂离子电池需求将会扩大到上百亿只。随着各种“用电器具”的飞速发展,锂离子电池以其可再次充放电、轻巧、电容量大、寿命长等优点,使其市场容纳量越来越扩大,其应用领域主要有以下三个方面:(1) 便携电源作为用电器上的便携式电源已被广泛的应用于摄像机、录音机、随身听、移动电话、笔记本电脑、便携式测量仪器、小型医疗仪器、机器人等小型轻量化电子装置及电动玩具、电动剃须刀、小手电等日用
5、电器中,正在逐步地替代传统电源。这些小型用电器的品种在不断的出现、用户在不断地增加;可以回忆一下“上个世界末移动电话在中国还是富贵和权力的象征”,而如今走在街上随便环顾一下到处是“手机”用户的通话声,中国已成为“手机大国”,手机已成为青少年的“玩具”;这其中少不了锂离子电池的功劳,而手机技术的发展也少不了锂离子电池技术不断发展的推动;不少专家认为:锂离子电池技术将成为21世纪具有战略意义的军、民两用技术。(2) 动力电源随着世界能源紧张、现能源(油、煤)使用所造成的环境污染加重,而急需“环保型能源”代替;于是,太阳能、风能、潮汐能的开发相继问世,这些清洁能源有一个共同特点,即为动力来源在时间上
6、不连读,因而必须在其高峰期将所发的电能储存下来,以便低峰时使用;因此大容电量的“二次电池”便成为清洁能源的组成之一;大容电量的二次电池也成为电动汽车的理想动力源,并且在航空、航天、航海中有广泛的用处。(3) 军用电源战争由机械化自动化信息化向信息中心战的方向发展,其中那一个阶段都少不了电源,军用电源的便携性、能量密度高低、寿命、可靠性、可再生性是军事通讯设备、观察与侦察设备、制导兵器、军用计算机及模拟演练系统所用电源必须的要求;特别是前线作战部队,由于受到大范围机动、高速推进、能利用的运载交通工具有限,主要依靠便携能源;电池作为“信息中心战”中的信息采集、信息处理、信息传输的动力源,也已成为部
7、队作战能力的重要标志之一。目前,锂离子电池除了用在军事通讯外,也用在一些武器系统中,如美国、德国、英国研制的单兵系统中、日本正在建造电动潜艇中均采用了锂离子电池。作为军用电池,除其环境适应性有苛刻的要求外,还要有尽可能简单地进行后勤补给。一般应保证电池能作为存货,储存时间达2030年,与尖端武器系统动力装置性能保存期相匹配。锂离子电池及其向前发展的产品在军事应用方面具有无可比拟的优越性,可促进武器向灵活、机动、隐蔽、快速方向发展。1.2.2正极材料的产业化是促进锂离子电池发展的需要新能源的不断开发是人类社会可持续发展的重要基础,随着科技的进步,人们对可移动能源的需求愈来愈强烈,特别是对纯电动交
8、通工具的要求随石油及环境危机的加剧而不断加强,2008年的奥运会将在北京召开,绿色能源的利用已列入奥运的主题,国家也将电动汽车列入863重大专项,其中锂离子电池以其高能密度列入重点攻关的化学电源之一。但目前制约纯电动交通工具产业化的瓶颈是:(1)电池价格高使纯电动车价格昂贵;(2)无法解决高能动力电池因所用电极材料导致的安全问题。因此,电动汽车产业化的关键是能否解决价廉、安全、性能优异、环境友好的二次化学电源技术。至今,主要用于锂离子电池的正极材料是层状LiCoO2,其已广泛应用在小型电池,但它不适用于高能动力电池,目前我国已达到的LiCoO2正极材料生产能力约为5000多吨每年;若电动自行车
9、,EV或HEV用锂离子电池得以发展,则材料的需求量更大。而我国长期以来就缺乏钴资源,钴矿主要共(伴)生在铜、镍、铁矿中,截至1999年底,我国累计探明钴储量47.1万吨。由于连年开采,我国钴储量逐年减少。寻求成本低、储量丰富的原材料替代钴已是刻不容缓。另外从安全性角度看,大功率锂离子动力电池的正极材料如果还用做小型电池的锂钴氧化物,有可能引起燃烧甚至爆炸,已陆续出现过几起手机电池爆炸事故,使人们对其产生了恐惧。要解决安全问题,一定要换成安全性好的材料才不会有安全隐患。1997年,首次报道了橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)可用于锂离子电池正极材料,近年来国际上普遍认为LiFePO4是高能动力
10、电池的最佳新型正极材料。其主要优点表现在:(1)能解决LiCoO2及其他现有正极材料不能解决的安全问题:由于采用磷酸根取代了氧,在滥用条件下不会有氧气析出,所以安全性能大大提高。(2)原料来源广泛,价格低廉:铁元素在地壳中含量十分丰富,仅次于氧、硅、铝三种元素。(3)无毒、无污染,是真正的绿色能源。(4)循环寿命非常长,可以满足电动车频繁充放电的需要。综上,LiFePO4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。对该类材料进行深入研究并积极推进其产业化步伐,是解决电动车辆用长寿命、安全型、低成本的锂离子电池的关键,该类材料的快速产业
11、化不仅具有很大的经济效益,还具有深远的战略意义,有利于我国乃至全球经济的可持续发展。2项目环境与发展前景分析 锂离子电池作为最新一代高比能量化学电源已经广泛应用于移动通讯、便携式手提计算机、摄象机、照相机、便携式仪器仪表等领域,也是各国大力研究的电动汽车的首选配套电源。近年来锂离子电池的市场增长非常显著。发展锂离子电池材料具有重要意义。正极材料是锂离子电池的关键技术之一。金属氧化物如层状结构的LiMO2(M=Co Ni Mn) 和尖晶石型结构的锰酸锂(LiMn2 O4)是目前广泛研究的锂离子电池正极材料, 其中钴酸锂(LiCoO2)的成本较高、资源贫乏且毒性大,镍酸锂 (LiNiO2)的制备困
12、难热稳定性差, LiMn2O4的容量较低循环稳定性较差 。开发性能优质廉价的锂离子电池正极材料是锂离子电池材料研究领域的热门课题。磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能,充放电平台十分平稳,充放电过程中结构稳定。同时,该类材料又具有无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛、价格便宜等优点,是目前电池界竞相开发与研究的热点。磷酸铁锂充放电效率高、具有很好的循环稳定性,它可以使锂离子充电电池更耐用。目前广泛应用于小型电池的钴酸锂材料满足不了动力电池的技术要求,磷酸铁锂将成一代锂离子电池尤其是动力电池用正极材料,其开发成功与否成为锂离子动力电池研制的关键所在。在电池
13、制造业这样一个竞争激烈的产业中,一项小的改进都可能带来巨大的变化。 LiFePO4材料的产业化将使锂离子电池在电动交通工具方面的应用前景变得更好。目前美国和加拿大已有LiFePO4产品,他们已看好亚洲这一很有潜力的大市场。我们将来能否在新一代锂电材料市场中占一席之地,取决于今天的工作。开展产业化磷酸铁锂正极材料制备技术的研究,将为其产业化应用提供重要依据。本项目的成功不但对电池材料产业发展,以及地区经济的进一步增长具有显著的战略意义和社会经济价值。2.1项目产品(或技术)主要应用领域随着现代科学技术和信息产业的飞速发展,电池在高科技产业中起到越来越重要的作用。越来越多的新电子产品在各个领域中得
14、到广泛应用,这些产品对电池也提出了一些新的要求,如:高容量、高安全性、高循环性能等。本项目产品专门提供给各种电动车辆、储能设备 (UPS.等)、电动工具等产品所需的锂离子电池做为正极材料。本项目所涉及的技术包括:锂离子电池正极材料磷酸铁锂生成实验技术;锂离子电池正极材料磷酸铁锂性能测试与中间产物监测技术及测试与监测系统的建立; 锂离子电池正极材料磷酸铁锂批量生产工艺技术;磷酸铁锂产品技术标准的建立。2.2国内外产品(或技术)现状与发展趋势目前世界有能力的国家,研究锂离子电池正极材料的方向主要集中在磷酸铁锂,LiMO2(LiCoO2和LiNiO2)体系,锂锰氧化物(LiMn2O4)系列及掺杂型锂
15、镍钴锰氧化物等系列上。2.2.1锂离子电池正极材料磷酸铁锂现状在国外做为锂离子动力电池正极材料载体的锂离子电池的发展速度比较快,国外的投资相对比较多,并且均有明确的发展方向与计划。欧盟为锂离子电池的研究和开发规定了一系列的计划,如Joule、Brite-Euram等,并为此投入了近1400万美元;加拿大的Hydro-Quebec 和3M公司从USABC(美国先进电池协会)获得了3300万美元用于发展电动汽车用锂离子电池;德国的Varta公司和美国的Duracell也为USABC从事这方面的工作,欧、美的技术当前仍处于领先地位。 目前,Valence,Phostech,A123和日本的三井造船的
16、磷酸铁锂已经量产,并且Valence,和A123都在苏州建厂。但国外的供应商为了追求更高的附加值只是在做OEM,而不愿意向国内市场供应磷酸铁锂材料。近几年来我国开展锂离子电池正极材料研究开发的单位主要有天津电子18所、北京有色金属研究总院、中科院化学所及物理所、中国兵器工业第二一三研究所、中南大学、厦门大学、中科院盐湖所、北京科技大学、清华大学等单位。国内磷酸铁锂的主要生产厂家和产能见下表:表2.1 国内主要厂家的设计生产能力表生产厂家设计生产能力(吨/年)浙江正电3000台湾长圆3000天津斯特兰2000北大先行1500西安铁虎2500北方新能源20002.2.2锂离子电池正极材料的发展趋势
17、钴酸锂(LiCoO2)正极材料为层状结构,空间群为R3m,氧原子构成立方密堆序列,钴和锂则分别占据立方密堆积中八面体的3(a)与3(b)位置;在充放电过程中,材料的结构保持稳定,具有比较好的循环性能,而且LiCoO2在可逆性、放电容量、充电效率、电压稳定性等各方面性能均最好。在锂离子电池正极材料中,钴酸锂是迄今为止制备方法比较简单的材料,其生产工艺最为成熟,用其制造的电池的性能最为可靠,是获得了最广泛商业应用的锂离子电池的正极材料;钴酸锂还具有较高的容量和较长的使用寿命,当前国内外锂离子电池生产企业以使用钴酸锂材料为主。由于钴属于战略物资,在中国未发现大规模有开采价值的钴矿,钴资源基本依赖进口
18、,价格昂贵,安全性较差,限制了锂离子电池在广泛领域中的推广应用。其替代材料正在被开发中,其中最有希望的有如下几种:(1)锂镍氧化物(LiNiO2)LiNiO2是目前研究的各种正极材料中电容量最高的系列,是非常有希望的高电压电池活性材料, LiNiO2曾被认为是最有希望成为LiCoO2的替代材料之一,其容量(190210mAh/g)远远高于LiCoO2材料(135 mAh/g),而且自放电率低,对环境无污染,在价格和资源上也比LiCoO2有优势。法国SAFT和日本“新阳光计划”均在致力于LiNiO2与其他正极材料替代品的开发,用以提高锂离子电池的电容量和降低其成本;国内也有不少单位在这方面进行研
19、究,但是投入均相对较少,进展较慢。当前,LiNiO2之所以尚未得到大规模的推广和应用,主要原因是因为LiNiO2的合成技术比较难掌握,其一:LiNiO2的合成需要在氧气气氛下进行,增大了工业生产的负荷,其二:在合成的过程中,产物易受环境中所含水份的影响,故而对生成环境要求非常严格,较难实现大批量的生产。(2)锂锰氧化物(LiMnxOy)LiMnxOy系列主要有三种结构:隧道结构、层状结构和尖晶石结构。其结构不同合成方法也不同,其组成也有差别;其中,层状结构的LiMnO2目前的研究成果还不够成熟。而处于同系列的LiMn2O4是目前研究比较热的材料、也是相对比较成熟的锂离子电池正极材料之一,锂锰氧
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