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锂离子动力电池:最具发展潜力的电动汽车车载电源
发布时间:2012-11-22  来源:中国工业网 

    能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展历史,人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的变革和更替。在过去100多年里,发达国家先后完成了工业化建设,消耗了地球上大量的自然资源,特别是能源资源。当前,一些发展中国家正在步入工业化阶段,能源消费增加是经济社会发展的客观必然。中国是当今世界上最大的发展中国家,发展经济,摆脱贫困,是中国政府和中国人民在相当长一段时期内的主要任务。中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。能源供应持续增长,为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长,为世界能源市场创造了广阔的发展空间。中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分,对维护全球能源安全,发挥着越来越重要的积极作用。

 

一、行业政策

 

    由于我国能源消耗越来越高,资源紧缺与经济快速发展的矛盾突出,国家一直鼓励新能源动力电池技术和产业化的发展,主要政策列举如下:

 

    ①2011年国家发展改革委发布的《产业结构调整指导目录(2011年本)》,鼓励类第十六条第6款提出,鼓励新能源汽车关键零部件中,鼓励动力电池正极材料(比容量≥150mAh/g,循环寿命2000次不低于初始放电容量的80%)研发和产业化。 co
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    ②2012年工信部发布的《节能与新能源汽车发展规划(2011—2020年)》,未来工作的主要任务中提出重点突破动力电池技术瓶颈,开发新型正极材料,加强电池管理可靠性研究和轻量化设计,提高电池比能量。加快推进动力电池关键材料和装备自主化,重点支持具有技术基础和发展潜力的企业,自主研发和生产锂离子电池正极材料,同时鼓励和支持有条件的装备制造业,自主研发动力电池及关键材料的生产,打破国外垄断。

 

    “规划”中产业布局提出重点建设京津、珠三角、长三角地区动力电池产业聚集区域。到2020年,培育形成2-3家产销规模超过200亿瓦时,具有电池关键材料研发和生产能力的动力电池龙头,形成2-3家锂离子动力电池正极材料生产企业。
 

    关于新能源汽车产业布局,要求结合示范工程,创建新能源汽车产业先导示范基地;依托现有汽车重点企业,重点建设长春、上海、武汉、重庆、北京、广东、安徽、浙江等新能源汽车产业基地。到2020年,培育形成1-2家新能源汽车产销规模超过100万辆汽车企业集团,3-5家新能源汽车产销规模超过50万辆的汽车企业集团。

 

    根据“规划”,到2015年,新能源汽车补贴试点城市数量将达到20个以上。

 

    ③地方鼓励发展新能源汽车政策 中机
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    广州市即将公布的相关产业发展规划显示:未来几年,将大力发展电动汽车及相关产业,到2015年,力争混合动力及纯电动汽车保有量达到15万辆。
 

    江苏省于今年3月出台《江苏省新能源汽车推广应用指导意见》,明确新能源汽车推广应用的工作进度和目标任务:2012-2014年,重点在南京、苏州、南通试点;2013-2015年,在无锡、常州、盐城、扬州、镇江等地选择有条件的地区继续推广应用。各试点市在试点期内分别推广应用新能源汽车1000辆以上,其中纯电动汽车占50%以上。

 

    佛山市买电动车可获三成补贴;合肥市把2012年确定为新能源汽车3年示范推广最后一年。 中机院机电市场研究所

    山东省出台多项政策促进新能源汽车发展,济南、淄博、潍坊、烟台、临沂、德州和聊城被列入山东省新能源汽车推广试点城市,在公共交通、出租、公务、环卫和邮政等公共领域推广应用新能源汽车。
 

    山东省规划到2015年,全省新能源汽车生产规模达到25万辆,其中新能源客车2万辆,新能源乘用车10万辆,低速电动车8万辆,新能源专用车5万辆,其中有20%以上的产品出口国际市场。”

 

    安徽省《汽车产业调整和振兴规划》要求,大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车的研究、开发和市场应用,到2011年,包括纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力在内,新能源汽车要形成年50万辆的产能,销量要占国内乘用车销售总量的5%左右。 c
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    安徽合肥2012年,将推广2.25万辆新能源汽车,建设20座充电站及一批充电桩,到“十二五”末,合肥将形成10万辆新能源乘用车和5000辆新能源客车的产能。
 

二、市场现状及前景
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    新能源汽车的动力用电池技术是新能源汽车的核心技术。在目前的技术条件下,新能源汽车的发展依赖于动力用电池技术的发展。
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    目前汽车用蓄电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池。其中铅酸电池由于比能量低,目前只大量应用于传统汽车的启动电源。其它几类目前都可以作动力电池应用,但镍氢电池电压低,只有1.2V,导致比能量低,组装后电池体积过大,极大的限制了镍氢电池作为动力电池的发展前景。燃料电池目前仅在实验室及新概念车型中使用,由于该电池中需大量采用贵金属铂,且由于储氢技术难及成本高限制了其大规模使用前景。
 

    新能源汽车在电池的配用上,鉴于镍氢电池技术最成熟,成本相对较低,因而目前是HEV(混合动力汽车)配用电池的首选。由于镍氢电池自放电率高、比能量较小,只能用在HEV上,不适合应用于要求长续航时间的PHEV(插电式混合动力汽车)和EV(纯电动汽车)上。而锂离子电池因为有更高的能量密度、更大的放电功率、自放电小和寿命长等优点,而成为未来电池发展的方向。特别是对磷酸铁锂电池的应用研究,在安全性与续航能力方面不断取得技术突破,将在PHEV、EV上获得大规模应用,并将在2020年后逐渐取代镍氢电池。各种电池的技术性能比较见表1。
 

表1  磷酸铁锂电池与传统电池性能比较

 

技术参数 copyright 中机院机电市场研究所

镍镉电池 copyright 中机院机电市场研究所

镍氢电池 内容来自中机院机电市场研究所

铅酸电池 中机院机电市场研究所

磷酸铁锂电池

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工作电压(V) 中机院机电市场研究所

1.2 内容来自中机院机电市场研究所

1.2

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2.1 中机院机电市场研究所

3.2

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质量比能量(Wh/kg) 内容来自中机院机电市场研究所

30~50 内容来自中机院机电市场研究所

50~80

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40 copyright 中机院机电市场研究所

120 内容来自中机院机电市场研究所

体积比能量(Wh/L) 中机院机电市场研究所

150

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200 内容来自中机院机电市场研究所

70

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210 内容来自中机院机电市场研究所

寿命 内容来自中机院机电市场研究所

500 中机院机电市场研究所

500 copyright 中机院机电市场研究所

400 copyright 中机院机电市场研究所

2000 copyright 中机院机电市场研究所

单位价格(RMB/Wh) 中机院机电市场研究所

3 copyright 中机院机电市场研究所

6

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1.0-1.5 内容来自中机院机电市场研究所

3-5 copyright 中机院机电市场研究所

单位价格/寿命(1000)

内容来自中机院机电市场研究所

 

6

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12

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2.5-3.75

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1.5-2.5

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环保 内容来自中机院机电市场研究所

有毒 内容来自中机院机电市场研究所

略有污染

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有毒

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无毒 中机院机电市场研究所

安全性

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优秀

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copyright 中机院机电市场研究所

良好 内容来自中机院机电市场研究所

优秀

内容来自中机院机电市场研究所

 


    与传统电池相比,磷酸铁锂电池只在价格方面处于一定劣势,其他各项指标明显占据优势。但如果考虑电池寿命,磷酸铁锂电池的价格却是最低的,说明磷酸铁锂电池性价比较高。
 

    锂离子电池主要包括正极、负极、隔膜、电解液四部分。新能源汽车对动力电池的要求是:比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等。而其中正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料,直接决定了电池的比能量、比功率、安全性能等。因而进一步说,动力汽车的发展依赖于锂离子电池正极材料技术的发展。
 

    目前商业化的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种。其技术性能比较见表2。

 

表2  各种锂离子电池性能比较

 

类型

内容来自中机院机电市场研究所

 

指标

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钴酸锂
liCoO2 copyright 中机院机电市场研究所

镍钴锰
LiNiCoMnO2 copyright 中机院机电市场研究所

锰酸锂
LiMn2O4 内容来自中机院机电市场研究所

磷酸铁锂
LiFePO4

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振实密度()

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2.8~3.0

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2.0~2.3 内容来自中机院机电市场研究所

2.2~2.4

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1.0~1.4 内容来自中机院机电市场研究所

比表面积(m2/g)

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0.4~0.6 内容来自中机院机电市场研究所

0.2~0.4 内容来自中机院机电市场研究所

0.4~0.8 copyright 中机院机电市场研究所

12~20

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克容量(mAh/g)

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135~140

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155~165

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100~115 中机院机电市场研究所

130~140 copyright 中机院机电市场研究所

电压平台(V) 中机院机电市场研究所

3.6 中机院机电市场研究所

3.5

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3.7 copyright 中机院机电市场研究所

3.2

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循环性能

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≥300次 中机院机电市场研究所

≥800次

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≥500次

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≥2000次

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过渡金属

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贫乏 copyright 中机院机电市场研究所

贫乏

copyright 中机院机电市场研究所

 

丰富

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非常丰富 内容来自中机院机电市场研究所

原料成本 copyright 中机院机电市场研究所

很高 中机院机电市场研究所

内容来自中机院机电市场研究所

低廉

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低廉 中机院机电市场研究所

环保 中机院机电市场研究所

含钴 中机院机电市场研究所

含镍、钴 中机院机电市场研究所

无毒 copyright 中机院机电市场研究所

无毒 copyright 中机院机电市场研究所

安全性能 中机院机电市场研究所

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较好

内容来自中机院机电市场研究所

 

良好 copyright 中机院机电市场研究所

优秀

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适用领域 copyright 中机院机电市场研究所

小电池 内容来自中机院机电市场研究所

小电池/小型动力电池 内容来自中机院机电市场研究所

动力电池 copyright 中机院机电市场研究所

动力电池/超大容量电源 内容来自中机院机电市场研究所


    说明:磷酸铁锂除了振实密度、克容量两个指标略有不足,其他各项指标均占很大优势,尤其是在循环性能、环保性、安全性能、原料成本及应用领域方面。
 

    相比较而言,钴酸锂最大的问题是安全性差(150℃高温时易爆炸)、循环寿命短;锰酸锂安全性比钴酸锂好很多,但高温环境的循环寿命更差(500次)。磷酸铁锂因为高放电功率、成本低、可快速充电且循环寿命長(2000次以上),在高温高热环境下的稳定性高(300℃高温以上才有安全隐患),安全性能高。因而磷酸铁锂是目前公认的最理想的新能源汽车动力用锂电正极材料。 cop
yright 中机院机电市场研究所

    在锂离子电池的四大材料中,目前国产产品技术指标能跟得上进口产品的只有正极和负极材料;国内基本上还不能生产动力锂离子电池隔膜;国产电解液产量上虽然能满足国内市场需求,但其核心材料——六氟磷酸锂则100%依赖进口。

 

    四大材料目前的销售毛利率分别为:正极40%,负极20%,电解液40%,隔膜70%,六氟磷酸锂材料70%。其中正极材料、电解液和隔膜是最核心的三种材料,占锂离子动力电池成本的55%以上。在锂电池成本构成中,正极材料约占20%,隔膜约占25%,电解液约占15%,负极材料约占2%。其中直接决定电池安全性能、市场容量大、附加值最高的是正极材料。
 

    目前中国内地能生产磷酸铁锂材料的厂家接近300家。但由于技术门槛较高,其普遍存在产能低,产品质量不过关等问题。真正能供应合格材料的主要有天津斯特兰、北大先行等十几家。
内容来自中机院机电市场研究所

    我国70%的石油用于汽车燃料,城市空气污染物50%来自汽车排放,原油对外依存度已超过50%。而发展新能源汽车,是摆脱对石油等化石能源的依赖、保护生态环境和保障国家能源安全的战略需要。电动汽车是新能源汽车发展的重点,动力电池又是电动汽车的核心部件。新能源汽车的发展为我国动力电池产业发展开辟了更加广阔的空间,锂离子电池是最具发展潜力的电动汽车车载电源,是今后各国发展的重中之重,锂离子电池材料产业由此将在近些年里取得突飞猛进地发展。
 

    锂离子电池主要包括正极、负极、隔膜、电解液四部分。锂离子电池从应用上可区分为小功率应用电池(用于移动式电子产品)与大功率应用电池(汽车、电动工具动力电池、太阳能储能电池)。国内小功率应用电池产业相对成熟,但大功率应用电池产业还处在刚起步阶段。大功率应用锂离子电池(以电动汽车动力电池为代表)四大部分国内产业状况见表3。 c
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表3  锂离子电池各部件产业状况

 

名称 copyright 中机院机电市场研究所

占电池成本(%

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毛利率

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% 中机院机电市场研究所

技术难度

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国内技术及产业状况

copyright 中机院机电市场研究所

 

正极材料

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33 内容来自中机院机电市场研究所

40

copyright 中机院机电市场研究所

 

内容来自中机院机电市场研究所

 

国内技术与国际差距不大,正处上升期,未大规模产业化。相对成熟的厂家约十家 内容来自中机院机电市场研究所

负极材料 内容来自中机院机电市场研究所

10 copyright 中机院机电市场研究所

20

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较高 copyright 中机院机电市场研究所

国内基本成熟,仍在发展。 中机院机电市场研究所

隔膜 copyright 中机院机电市场研究所

25 中机院机电市场研究所

70 内容来自中机院机电市场研究所

极高

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国内无成熟技术,产品100%进口

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电解液中的电解质 中机院机电市场研究所

15 copyright 中机院机电市场研究所

70

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极高 中机院机电市场研究所

国内无成熟技术,产品100%进口

内容来自中机院机电市场研究所

 


    在锂离子电池四大材料中,正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料,直接决定了电池的比能量、比功率、安全性能等,因此新能源汽车的发展依赖于锂离子电池正极材料技术的发展。
 

    锂离子电池正极材料主要有钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锰酸锂(LiMn2O2)、三元LiNixCoyMnzO2、磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3)和磷酸铁锂(LiFePO4)以及它们衍生出的各种掺杂型化合物。其中,钴酸锂价格昂贵、安全性能差,镍酸锂安全性能差,合成条件苛刻,锰酸锂高温下锰的溶解引起容量快速下降,含钒正极材料具有一定的毒性,三元材料循环性较差都不能满足安全环保的动力电池要求。相比较而言,磷酸铁锂原料价格便宜、环境友好,特别是其优异的安全性和充放电循环性寿命,业内普遍认为是适合电动汽车等大功率锂离子电池应用需求的首选正极材料。
 

    (1)磷酸铁锂电池的主要优势体现在以下几个方面:

 

    ①使用安全,磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强,所以结构更加稳定,并且不易释放氧气,磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题,磷酸铁锂电池是目前全球唯一绝对安全的锂离子电池,在高温下的稳定性可达400-500℃(且在滥用情况下释放的热量最少),保证了电池内在的高安全性;不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。 中机
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    ②该电池寿命超长,循环使用次数高,在室温下1C充放电循环2000次,容量保持率80%以上;是铅酸电池5倍,镍氢电池的4倍,是钴酸锂电池4倍,是锰酸锂电池4-5倍左右。
容来自中机院机电市场研究所

    ③该电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属),无毒(SGS认证通过),无污染,符合欧洲RoHS规定,为绝对的绿色环保电池。铅酸电池中却存在着大量的铅,在其废弃后若处理不当,将对环境够成二次污染,而磷酸铁锂材料无论在生产及使用中,均无污染,因此该电池被列入“十二五”期间的“863”、“973”国家高科技发展计划,成为国家重点支持和鼓励发展的项目。

 

    (2)其他优势: co
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    ①该电池重量很轻,是铅酸电池的1/3,镍氢电池的63%;

 

    ②该电池体积小,商品设计可轻量化。铅酸电池的2/3,也较镍氢电池体积小;

 

    ③该电池单体电压高,为3.2V,串联少,电池组可靠性高;平台性能:1C充放电,3.3~3.0V 平台容量达到93%以上; 内容
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    ④放电平台稳定,可作大电流高功率充放电高倍率放电特性:10C充放电效率达到96%以上,容量保持率90%以上,可实现10C放电;

 

    ⑤该电池自放电小;无记忆效应。可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作,容量会迅速低于额定容量值,这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性,而磷酸铁锂电池无此现象,电池可随充随用,无须先放完再充电; c
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    ⑥该电池快速充电特性优,2C快充,半小时充足95%;
 

    ⑦工作温度范围宽广(-20℃- +75℃),有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃,而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。
 

    除电动汽车外,磷酸铁锂正极材料在电动工具、大型蓄能电源、电动自行车、矿下蓄电池等方面也具有广阔的应用前景。2011年,国内磷酸铁锂的年需求量超过1.7万吨,而2011年国内合格磷酸铁锂实际产量只有1600吨左右,存在巨大的供应缺口。预计到2015年我国磷酸铁锂正极材料的国内市场需求量将达到10万吨。按照磷酸铁锂每吨15万元计算,市场销售规模将超过150亿元。其相关产业产值有望达到500亿元。

 

    鉴于锂离子动力电池及相关材料的广阔发展前景,可以电动汽车关键组件——动力电池正极材料——磷酸铁锂的生产,作为全面发展新能源产业的切入及突破点,进而逐步扩展到其他正极材料、负极材料、动力电池隔膜、电解液添加剂等的生产,最后全面发展电动汽车、电动自行车、电动工具、太阳能光伏储能等大功率应用锂离子成品电池。

 

    因此,磷酸铁锂正极材料的产业化将直接带动锂离子电池、电动汽车及其相关产业的快速发展,如果按照其30%的毛利率来算,其市场规模以及利润将是可喜的。
 

    在国外,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。

 

    目前,国内外已有许多公司开始进行以磷酸铁锂离子动力电池的工业化生产。国内以比亚迪、万向集团、深圳比克电池、天津力神、山东润峰、中航锂电为代表。美国和加拿大已有LiFePO4产品,以通用汽车为代表,他们已看好亚洲这一很有潜力的大市场。磷酸铁锂正极材料产业化应用不仅对电池材料和电动汽车产业发展具有重要作用,对地区经济的进一步增长也具有显著的战略意义和社会经济价值。 


 

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