对湖南省战略性新能源产业发展的思考

陈海清,廖季青,陈 明

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

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对湖南省战略性新能源产业发展的思考

陈海清,廖季青,陈 明

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

要大力发展并利用可再生能源,电能的存储是关键。锂离子电池是一种综合性能好、清洁环保的新型储能电池和动力电池。小型锂离子电池,以高品质钴酸锂为主导;锂离子动力电池,以高品质磷酸铁锂为主导。湖南省锂离子电池正极材料研究生产有良好的产业化基础,应加大研发投入力度,组建战略性新能源材料研发中心和大力发展先进电池材料产业。

可再生能源;锂离子电池;战略性新能源;新能源材料

能源是人类生存和发展的重要物质基础,也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。能源问题是关系我们国家经济建设、国家长治久安的重大问题,也是构建社会主义和谐社会所必须解决的基础问题。

1 人类社会对能源的需求及面临的挑战

1.1 世界能源用量及结构

人类社会的发展伴随着能源消耗的增加,如图1列出世界一次能源消费的增长趋势[1～6]。

图1 过去100多年世界能源消费量变化

从图1中可以看出,世界能源消费的增长虽然波动较大,但总趋势是保持正增长。这取决于世界经济的发展与能源技术的进步,也取决于世界人口的增加。另一方面,随着科技进步包括能源技术的进步,单位GDP(国内生产总值)的能耗正在逐步降低。在能源利用总量不断增长的同时,能源结构也在不断变化,如图2所示[1～6]。

图2 过去100多年世界能源结构变化

1.2 我国能源用量及结构

进入21世纪以来,随着我国工业化和城市化步伐的加快,能源消耗也随之不断上升,其用量及消费增长情况如图3所示[1,3,4]。

图3 “十五”以来中国能源消费增长情况

2005年我国GDP总和18.23万亿元,人口13.1亿人,一次能源总耗量22.47亿t标准煤,占世界总能耗的14.7%,全国人均能耗1.72 t标准煤/人·a,万元GDP能耗1.23 t标准煤。我国一次能源结构如图4所示[4,5]。

图4 2005年我国一次能源结构

2006年美国人均能耗7.84 t标准煤/人·a,2006年我国的单位GDP的能耗高出美国一倍以上[1,6]。

1.3 人类社会面临的挑战

从目前世界和我国能源消耗和能源结构来看,能源结构中以化石能源为主,长期大量的使用将产生一系列问题:(1)化石能源是不可再生的能源,大量使用化石能源会耗竭;(2)化石能源使用产生严重的环境污染,其污染物主要是 SO2、NOx、Hg、CO2等[1,5],环境的恶化影响着人们的生存环境。所以从资源、环境上,都不能这么大规模地使用化石能源; (3)温室气体的排放[1,5]。目前全球每年排放250多亿t CO2,空气中CO2浓度已从工业化150多年前的280μL/L增至现在380μL/L,从而造成全球平均气温上升了7.5℃。导致温差变化大、气候变化无常,台风、暴雨等自然灾害也随之增多。

1.4 2050年我国能源需求及结构

随着我国经济持续快速发展,城镇化进程加快,居民消费结构升级换代,能源需求不断增长,全国人口将不超过15亿,GDP总和达近117万亿元。预计2050年,全国一次能源总耗量60亿t标准煤,占世界总能耗的17.3%,人均耗能4.0 t标准煤/人·a,万元GDP能耗0.51 t标准煤[1,2]。从我国各种能源的实际、生态环境和资源的合理可持续利用来看,2050年我国能源结构最大限度如图5所示[5]。

2 解决能源短缺和改善生态环境的根本出路

解决我国能源短缺和改善生态环境的根本出路,是节约为本、煤的洁净利用、调整能源结构等。“加强可再生能源开发利用,是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路,也是人类社会实现可持续发展的必由之路”(胡锦涛2005年11月7日在“北京国际可再生能源大会”上致辞)。为此,我国政府提出发展以低碳排放为特征的战略性新兴产业,包括新能源、新材料、电动汽车等七大战略性新兴产业和促进循环经济的大力发展(温家宝2009年11月3日在“首都科技界大会”上的讲话)。

图5 2050年我国一次能源结构

在新能源领域中,我国风能、太阳能等非水的可再生能源较丰富的地区主要集中在新疆、内蒙、近海等地区,其地域性和周期性强,而我国电力负荷中心在东南沿海和用电的周期性、电动汽车的移动性。因此,要大力发展并利用风能、太阳能,除建大型电站外,还要解决电站有效溶入电力系统、电能储存及与输电有关的电力技术等难题。

可再生能源利用、汽车由电动替代液体燃料以及发电的峰-谷调节,电能的大、中、小容量的存储是关键的关键。随着国家大力发展战略性新兴产业,电池原材料技术开发和产业化已成为新材料、新能源和新能源汽车等产业发展的关键环节。只有大力开发新储能材料,才能推动新能源和新能源汽车工业的跨越发展。

二次电池已广泛应用于移动通信、数码产品、航空航天、交通运输等领域。当前可商用的动力电池中,铅酸电池由于严重的环境污染,早已退出主流应用,镍氢电池是目前商业化动力电池的主流,但电池比功率、比能量、循环次数、充电时间等关键指标均低于锂离子电池,且理论上基本不存在提升空间。锂离子电池是近十年发展起来的一种清洁环保的新型储能工具,与铅酸和镍氢二次电池相比,具有放电平台更高、能量密度更大、循环性能更好等优点,被认为是综合性能最好、最具发展前途的储能电池和动力电池,并一致看好其在新能源和新能源汽车等领域的应用前景。而新能源汽车的三大核心技术为车载能源系统、驱动系统及控制系统。其中,电池技术尤为关键,电池成本占整车成本的1/3。因此,要大力发展新能源和新能源汽车等产业,就必须加快锂离子电池产业的发展,将先进电池及其材料的开发和产业化放在重要位置,通过不断的技术创新和工业化应用,来满足新能源产业的发展与技术进步。

3 湖南省锂离子电池正极材料研究生产优势

3.1 有良好的产业化基础

湖南省是著名的有色金属之乡,冶金材料产业历史悠久,是湖南省三大重要支柱产业之一。2006年10种主要有色金属产量143万t,居全国第三位。“十一五”以来,湖南新材料产业持续快速发展,年均增长31%。2008年新材料产业对全省高新技术产业贡献率达41%。湖南省委、省政府高度重视新材料产业发展,将其列为湖南十大优势产业和六大新兴产业之一进行重点扶持。先进电池材料及应用是湖南省的特色产业,也是新材料产业发展的重要支撑和主要增长点,其中长沙地区钴酸锂及四氧化三钴年产量分别达4 000 t和2 000 t,占全国总产量的40%和22%,其规模和综合实力位居全国前列,在国内外有着重要影响。2008年国内钴酸锂和四氧化三钴产地及产量列于表1。

表1 2008年国内钴酸锂和四氧化三钴产地及产量

3.2 具有优秀的研发团队和科研支撑平台

湖南省拥有中南大学、国防科技大学、湖南大学3所“985”高校,以及技术雄厚、经验丰富的湖南有色金属研究院、长沙矿冶研究院等科研院所。在有色冶金与材料领域,有黄伯云、刘业翔等8位知名院士,数百名教授级专家,8个国家级研究中心,5个国家级重点学科,10多个省级重点学科,近10个一级学科博士点和博士后流动站,是21世纪我国有色金属行业发展的学术领航力量。

3.3 有色金属的技术能力

湖南省在有色金属及材料方面技术基础雄厚,拥有大量研究成果。湖南地区C/C飞机刹车材料的研究获得2006年国家发明一等奖;近年,湖南省在有色金属冶金及材料领域每年有一个以上项目获国家级二等奖以上奖励。

3.4 区域优势明显

湖南省作为中部省份,具有独一无二的经济区位优势。现阶段,95%的锂离子电池厂家集中在珠江三角洲地区和长江三角洲地区。长沙位于中部地区,是大长三角地区和大珠三角地区的主要城市之一,距离市场较近,对市场反应灵敏。长沙在锂离子电池正极材料研发和生产方面始终居于国内领先地位,聚集了一批电池正极材料生产厂家。随着沿海地区制造业向内陆地区转移,湖南在电池材料产业链中将占有更加重要的地位。

4 发展方向、目标、关键技术及主导产品

4.1 小型锂离子电池,以高品质钴酸锂为主导

1.高品质钴酸锂的研制与生产[7]。作为锂离子电池重要的原材料,高性能钴酸锂生产制备技术的研发和产业化在当前显得更为重要。根据钴酸锂的结构特点,其理论克容量为274 mAh/g,理论密度也可达到5 g/cm3。目前,市场上钴酸锂主流产品的克比容量在142～148 mAh/g之间,振实密度也只有2.4～2.6 g/cm3。为此,人们通过微观结构的调整、制备工艺的改进等方式改性钴酸锂,使其克比容量达到180 mAh/g以上、循环性能好、加工性能优。

2.低价格元素的掺入,降低Co含量,有效降低生产成本,更进一步拓宽钴酸锂的使用范围。

3.布袋尘的尘产品化,实现钴资源的循环利用。

4.含锌钴渣的综合回收锌钴,并合成高品质钴酸锂的新工艺[8～11]。

5.钠盐体系取代铵盐体系生产四氧化三钴,解决铵盐体系在生产过程中产生的高浓度氨氮废水对环境的污染问题,推动行业技术的全面升级。

4.2 锂离子动力电池,以高品质磷酸铁锂为主导[12]

在新能源和新能源汽车产业发展中,锂离子电池被认为是最有可能大规模使用的材料。据预测, 2012年,我国新能源汽车将达到100万t以上,而每台新能源汽车约需锂离子电池材料300～400 kg。铁锂电池已经被世界上认为是新能源汽车首选的主流动力,磷酸铁锂优异的循环性能、安全性能、环保和较低的成本,成为动力电池的首选正极材料。

5 制约发展的瓶颈

当前,锂离子电池正极材料发展面临的主要问题是成本较高、产品档次低、市场竞争力弱。

5.1 技术研发投入不足且分散,自主创新能力较弱

虽然我国在锂离子电池及电池材料关键技术研发水平和创新能力方面有所提高,但总体上和国外发达国家相比仍然明显落后,主要表现在:(1)基础研究薄弱,创新性、基础性研究工作开展较少、起步较晚、水平较低,缺乏大规模发展所需的技术基础; (2)缺乏强有力的技术研究支撑平台,难以支持科技基础研究和提供公共技术服务;(3)缺乏清晰系统的技术发展路线和长期的发展思路,没有制定连续、滚动的研发投入计划;(4)用于研发的资金支持明显不足。

5.2 产业体系薄弱,配套能力不强

我国近年来产业的快速发展是建立在国内资金快速投入的基础之上。在技术上,我国仍落后于世界最先进水平,产品缺乏竞争力;在关键工艺、设备和原材料供应方面,仍依赖进口,受制于国外技术的垄断;生产集中度低:湖南省大大小小锂离子电池材料和锂离子电池厂达近20家,但上规模的不多,而生产磷酸铁锂的厂家更小;技术装备落后,环境污染严重,目前湖南省众多四氧化三钴生产企业从钴盐采用铵盐体系直接生产四氧化三钴的工艺,但该工艺存在的主要问题有:铵盐体系产生高浓度氨氮废水,造成环境污染,且钴的直收率低。

6 对策及建议

1.加大研发投入力度,组建战略性新能源材料研发中心。尽快建立健全湖南省科研院所、高校和企业共同申报国家级重大研究项目的机制体制,充分依托中南大学的科教资源优势,建立以企业为主体的工程技术中心、产品研发中心、博士后流动站以及各类科技开发实体,通过产学研相结合实现更多的重大科研成果,推动产业科技进步。

2.大力发展先进电池材料产业。研发以廉价材料制备大容量、大功率、高效能、无污染锂离子电池材料技术。

3.调整结构提高产业集中度。一是要大力调整产品结构,瞄准国际国内市场需求,大力发展精深加工,从低层次、粗加工产品转变到发展高科技含量、高附加值产品的道路上来;二是要大力调整技术结构,充分发挥湖南省科研院所的技术优势,重点研究开发新技术、新工艺、新产品,鼓励企业引进新技术、新工艺和新设备,不断完善科技创新保障体系;三是要大力调整企业结构,提高产业集中度,运用市场机制,通过参股、重组、并购等方式进行整合。

4.出台支持政策。为应对国际化趋势,增强战略性新能源材料产业的竞争力,帮助其抓住机遇加快发展,着重从以下几个方面予以重点支持:保障土地使用;加大技术改造;鼓励自主创新;营造良好环境。

[1] 江泽民.对中国能源问题的思考[J].上海交通大学学报(自然科学版),2008,42(3):345-359.

[2] 华泽澎.能源经济学[M].山东:石油大学出版社,1991.

[3] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴(2001-2007) [M].北京:中国统计出版社,2001-2007.

[4] 中华人民共和国国家统计局.中华人民共和国2007年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL].http://wenku.baidu.com/ view/3cb94aea551810a6f52486b2.html,2008-02-28.

[5] 严陆光.调整结构、积极构建我国能源可持续发展体系[C].北京:第六届中国科学家论坛,2007.

[6] 雷永泉,万群,石永康.新能源材料[M].天津:天津大学出版社,2000.

[7] 雷圣辉,陈海清,刘军,等.锂电池正极材料钴酸锂的改性研究进展[J].湖南有色金属,2009,25(5):37-42.

[8] 陈海清,刘亚雄.从硫酸锌溶液净化渣回收锌和钴[J].湖南有色金属,2006,22(2):12-15.

[9] 陈海清,刘亚雄.从硫酸锌溶液净化渣回收锌和钴扩大试验研究[J].湖南有色金属,2006,22(5):26-29.

[10]陈海清,刘亚雄.从钴渣中综合回收有价金属的研究[J].湖南有色金属,2006,22(4):19-22.

[11]FUJ ITA Toyohisa(The University of Tokyo).The 9th International Symposium On East Asian Resources Recycling Technology [A].Chen Haiqing,Liu Yaxiong.Zinc and Cobalt Recovery from the Sludge Produced during Purification of Zinc Sulfate Solution [C].Sendai,Japan,2007.

[12]熊学,戴永年,陈海清,等.包覆碳对LiFePO4正极材料性能的影响[J].湖南有色金属,2009,25(1):29-31.

Reflections on Strategic New Energy Industry’s Development in Hunan Province

CHEN Hai-qing,LIAO Ji-qing,CHEN Ming
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

To develop and use renewable energy,energy storage is the key.Lithium-ion battery is a good overall performance,a clean and environmentally friendly new type of energy storage batteries and battery.Small lithiumion batteries,lithium cobalt oxide of high quality oriented.Lithium-ion battery,lithium iron phosphate with high quality-oriented.The production of Hunan lithium ion battery cathode material has a good industrial base,so it should increase efforts to form a strategic new energy materials research and development center to develop advanced battery materials industry.

renewable energy;lithium ion battery;strategic new energy;new energy materials

TK01

A

1003-5540(2010)06-0067-05

陈海清(1962-),男,研究员级高级工程师,硕士,主要从事冶金过程的强化与节能、资源综合利用、冶金新材料及新能源材料的研究工作。

2010-10-22