陳海清,廖季青,陳 明

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

·經(jīng)營管理·

對(duì)湖南省戰(zhàn)略性新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考

陳海清,廖季青,陳 明

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

要大力發(fā)展并利用可再生能源,電能的存儲(chǔ)是關(guān)鍵。鋰離子電池是一種綜合性能好、清潔環(huán)保的新型儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池。小型鋰離子電池,以高品質(zhì)鈷酸鋰為主導(dǎo);鋰離子動(dòng)力電池,以高品質(zhì)磷酸鐵鋰為主導(dǎo)。湖南省鋰離子電池正極材料研究生產(chǎn)有良好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ),應(yīng)加大研發(fā)投入力度,組建戰(zhàn)略性新能源材料研發(fā)中心和大力發(fā)展先進(jìn)電池材料產(chǎn)業(yè)。

可再生能源;鋰離子電池;戰(zhàn)略性新能源;新能源材料

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),也是當(dāng)今國際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、外交關(guān)注的焦點(diǎn)。能源問題是關(guān)系我們國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家長治久安的重大問題,也是構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)所必須解決的基礎(chǔ)問題。

1 人類社會(huì)對(duì)能源的需求及面臨的挑戰(zhàn)

1.1 世界能源用量及結(jié)構(gòu)

人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加,如圖1列出世界一次能源消費(fèi)的增長趨勢[1～6]。

圖1 過去100多年世界能源消費(fèi)量變化

從圖1中可以看出,世界能源消費(fèi)的增長雖然波動(dòng)較大,但總趨勢是保持正增長。這取決于世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與能源技術(shù)的進(jìn)步,也取決于世界人口的增加。另一方面,隨著科技進(jìn)步包括能源技術(shù)的進(jìn)步,單位GDP(國內(nèi)生產(chǎn)總值)的能耗正在逐步降低。在能源利用總量不斷增長的同時(shí),能源結(jié)構(gòu)也在不斷變化,如圖2所示[1～6]。

圖2 過去100多年世界能源結(jié)構(gòu)變化

1.2 我國能源用量及結(jié)構(gòu)

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著我國工業(yè)化和城市化步伐的加快,能源消耗也隨之不斷上升,其用量及消費(fèi)增長情況如圖3所示[1,3,4]。

圖3 “十五”以來中國能源消費(fèi)增長情況

2005年我國GDP總和18.23萬億元,人口13.1億人,一次能源總耗量22.47億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占世界總能耗的14.7%,全國人均能耗1.72 t標(biāo)準(zhǔn)煤/人·a,萬元GDP能耗1.23 t標(biāo)準(zhǔn)煤。我國一次能源結(jié)構(gòu)如圖4所示[4,5]。

圖4 2005年我國一次能源結(jié)構(gòu)

2006年美國人均能耗7.84 t標(biāo)準(zhǔn)煤/人·a,2006年我國的單位GDP的能耗高出美國一倍以上[1,6]。

1.3 人類社會(huì)面臨的挑戰(zhàn)

從目前世界和我國能源消耗和能源結(jié)構(gòu)來看,能源結(jié)構(gòu)中以化石能源為主,長期大量的使用將產(chǎn)生一系列問題:(1)化石能源是不可再生的能源,大量使用化石能源會(huì)耗竭;(2)化石能源使用產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染,其污染物主要是 SO2、NOx、Hg、CO2等[1,5],環(huán)境的惡化影響著人們的生存環(huán)境。所以從資源、環(huán)境上,都不能這么大規(guī)模地使用化石能源; (3)溫室氣體的排放[1,5]。目前全球每年排放250多億t CO2,空氣中CO2濃度已從工業(yè)化150多年前的280μL/L增至現(xiàn)在380μL/L,從而造成全球平均氣溫上升了7.5℃。導(dǎo)致溫差變化大、氣候變化無常,臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害也隨之增多。

1.4 2050年我國能源需求及結(jié)構(gòu)

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級(jí)換代,能源需求不斷增長,全國人口將不超過15億,GDP總和達(dá)近117萬億元。預(yù)計(jì)2050年,全國一次能源總耗量60億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占世界總能耗的17.3%,人均耗能4.0 t標(biāo)準(zhǔn)煤/人·a,萬元GDP能耗0.51 t標(biāo)準(zhǔn)煤[1,2]。從我國各種能源的實(shí)際、生態(tài)環(huán)境和資源的合理可持續(xù)利用來看,2050年我國能源結(jié)構(gòu)最大限度如圖5所示[5]。

2 解決能源短缺和改善生態(tài)環(huán)境的根本出路

解決我國能源短缺和改善生態(tài)環(huán)境的根本出路,是節(jié)約為本、煤的潔凈利用、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等?！凹訌?qiáng)可再生能源開發(fā)利用,是應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題的必由之路,也是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路”(胡錦濤2005年11月7日在“北京國際可再生能源大會(huì)”上致辭)。為此,我國政府提出發(fā)展以低碳排放為特征的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),包括新能源、新材料、電動(dòng)汽車等七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展(溫家寶2009年11月3日在“首都科技界大會(huì)”上的講話)。

圖5 2050年我國一次能源結(jié)構(gòu)

在新能源領(lǐng)域中,我國風(fēng)能、太陽能等非水的可再生能源較豐富的地區(qū)主要集中在新疆、內(nèi)蒙、近海等地區(qū),其地域性和周期性強(qiáng),而我國電力負(fù)荷中心在東南沿海和用電的周期性、電動(dòng)汽車的移動(dòng)性。因此,要大力發(fā)展并利用風(fēng)能、太陽能,除建大型電站外,還要解決電站有效溶入電力系統(tǒng)、電能儲(chǔ)存及與輸電有關(guān)的電力技術(shù)等難題。

可再生能源利用、汽車由電動(dòng)替代液體燃料以及發(fā)電的峰-谷調(diào)節(jié),電能的大、中、小容量的存儲(chǔ)是關(guān)鍵的關(guān)鍵。隨著國家大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),電池原材料技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已成為新材料、新能源和新能源汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。只有大力開發(fā)新儲(chǔ)能材料,才能推動(dòng)新能源和新能源汽車工業(yè)的跨越發(fā)展。

二次電池已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、數(shù)碼產(chǎn)品、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。當(dāng)前可商用的動(dòng)力電池中,鉛酸電池由于嚴(yán)重的環(huán)境污染,早已退出主流應(yīng)用,鎳氫電池是目前商業(yè)化動(dòng)力電池的主流,但電池比功率、比能量、循環(huán)次數(shù)、充電時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)均低于鋰離子電池,且理論上基本不存在提升空間。鋰離子電池是近十年發(fā)展起來的一種清潔環(huán)保的新型儲(chǔ)能工具,與鉛酸和鎳氫二次電池相比,具有放電平臺(tái)更高、能量密度更大、循環(huán)性能更好等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是綜合性能最好、最具發(fā)展前途的儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池,并一致看好其在新能源和新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。而新能源汽車的三大核心技術(shù)為車載能源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。其中,電池技術(shù)尤為關(guān)鍵,電池成本占整車成本的1/3。因此,要大力發(fā)展新能源和新能源汽車等產(chǎn)業(yè),就必須加快鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,將先進(jìn)電池及其材料的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化放在重要位置,通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)化應(yīng)用,來滿足新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。

3 湖南省鋰離子電池正極材料研究生產(chǎn)優(yōu)勢

3.1 有良好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)

湖南省是著名的有色金屬之鄉(xiāng),冶金材料產(chǎn)業(yè)歷史悠久,是湖南省三大重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。2006年10種主要有色金屬產(chǎn)量143萬t,居全國第三位?！笆晃濉币詠?湖南新材料產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展,年均增長31%。2008年新材料產(chǎn)業(yè)對(duì)全省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)率達(dá)41%。湖南省委、省政府高度重視新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展,將其列為湖南十大優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)和六大新興產(chǎn)業(yè)之一進(jìn)行重點(diǎn)扶持。先進(jìn)電池材料及應(yīng)用是湖南省的特色產(chǎn)業(yè),也是新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐和主要增長點(diǎn),其中長沙地區(qū)鈷酸鋰及四氧化三鈷年產(chǎn)量分別達(dá)4 000 t和2 000 t,占全國總產(chǎn)量的40%和22%,其規(guī)模和綜合實(shí)力位居全國前列,在國內(nèi)外有著重要影響。2008年國內(nèi)鈷酸鋰和四氧化三鈷產(chǎn)地及產(chǎn)量列于表1。

表1 2008年國內(nèi)鈷酸鋰和四氧化三鈷產(chǎn)地及產(chǎn)量

3.2 具有優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和科研支撐平臺(tái)

湖南省擁有中南大學(xué)、國防科技大學(xué)、湖南大學(xué)3所“985”高校,以及技術(shù)雄厚、經(jīng)驗(yàn)豐富的湖南有色金屬研究院、長沙礦冶研究院等科研院所。在有色冶金與材料領(lǐng)域,有黃伯云、劉業(yè)翔等8位知名院士,數(shù)百名教授級(jí)專家,8個(gè)國家級(jí)研究中心,5個(gè)國家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科,10多個(gè)省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科,近10個(gè)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)和博士后流動(dòng)站,是21世紀(jì)我國有色金屬行業(yè)發(fā)展的學(xué)術(shù)領(lǐng)航力量。

3.3 有色金屬的技術(shù)能力

湖南省在有色金屬及材料方面技術(shù)基礎(chǔ)雄厚,擁有大量研究成果。湖南地區(qū)C/C飛機(jī)剎車材料的研究獲得2006年國家發(fā)明一等獎(jiǎng);近年,湖南省在有色金屬冶金及材料領(lǐng)域每年有一個(gè)以上項(xiàng)目獲國家級(jí)二等獎(jiǎng)以上獎(jiǎng)勵(lì)。

3.4 區(qū)域優(yōu)勢明顯

湖南省作為中部省份,具有獨(dú)一無二的經(jīng)濟(jì)區(qū)位優(yōu)勢。現(xiàn)階段,95%的鋰離子電池廠家集中在珠江三角洲地區(qū)和長江三角洲地區(qū)。長沙位于中部地區(qū),是大長三角地區(qū)和大珠三角地區(qū)的主要城市之一,距離市場較近,對(duì)市場反應(yīng)靈敏。長沙在鋰離子電池正極材料研發(fā)和生產(chǎn)方面始終居于國內(nèi)領(lǐng)先地位,聚集了一批電池正極材料生產(chǎn)廠家。隨著沿海地區(qū)制造業(yè)向內(nèi)陸地區(qū)轉(zhuǎn)移,湖南在電池材料產(chǎn)業(yè)鏈中將占有更加重要的地位。

4 發(fā)展方向、目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)及主導(dǎo)產(chǎn)品

4.1 小型鋰離子電池,以高品質(zhì)鈷酸鋰為主導(dǎo)

1.高品質(zhì)鈷酸鋰的研制與生產(chǎn)[7]。作為鋰離子電池重要的原材料,高性能鈷酸鋰生產(chǎn)制備技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化在當(dāng)前顯得更為重要。根據(jù)鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其理論克容量為274 mAh/g,理論密度也可達(dá)到5 g/cm3。目前,市場上鈷酸鋰主流產(chǎn)品的克比容量在142～148 mAh/g之間,振實(shí)密度也只有2.4～2.6 g/cm3。為此,人們通過微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整、制備工藝的改進(jìn)等方式改性鈷酸鋰,使其克比容量達(dá)到180 mAh/g以上、循環(huán)性能好、加工性能優(yōu)。

2.低價(jià)格元素的摻入,降低Co含量,有效降低生產(chǎn)成本,更進(jìn)一步拓寬鈷酸鋰的使用范圍。

3.布袋塵的塵產(chǎn)品化,實(shí)現(xiàn)鈷資源的循環(huán)利用。

4.含鋅鈷渣的綜合回收鋅鈷,并合成高品質(zhì)鈷酸鋰的新工藝[8～11]。

5.鈉鹽體系取代銨鹽體系生產(chǎn)四氧化三鈷,解決銨鹽體系在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高濃度氨氮廢水對(duì)環(huán)境的污染問題,推動(dòng)行業(yè)技術(shù)的全面升級(jí)。

4.2 鋰離子動(dòng)力電池,以高品質(zhì)磷酸鐵鋰為主導(dǎo)[12]

在新能源和新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,鋰離子電池被認(rèn)為是最有可能大規(guī)模使用的材料。據(jù)預(yù)測, 2012年,我國新能源汽車將達(dá)到100萬t以上,而每臺(tái)新能源汽車約需鋰離子電池材料300～400 kg。鐵鋰電池已經(jīng)被世界上認(rèn)為是新能源汽車首選的主流動(dòng)力,磷酸鐵鋰優(yōu)異的循環(huán)性能、安全性能、環(huán)保和較低的成本,成為動(dòng)力電池的首選正極材料。

5 制約發(fā)展的瓶頸

當(dāng)前,鋰離子電池正極材料發(fā)展面臨的主要問題是成本較高、產(chǎn)品檔次低、市場競爭力弱。

5.1 技術(shù)研發(fā)投入不足且分散,自主創(chuàng)新能力較弱

雖然我國在鋰離子電池及電池材料關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)水平和創(chuàng)新能力方面有所提高,但總體上和國外發(fā)達(dá)國家相比仍然明顯落后,主要表現(xiàn)在:(1)基礎(chǔ)研究薄弱,創(chuàng)新性、基礎(chǔ)性研究工作開展較少、起步較晚、水平較低,缺乏大規(guī)模發(fā)展所需的技術(shù)基礎(chǔ); (2)缺乏強(qiáng)有力的技術(shù)研究支撐平臺(tái),難以支持科技基礎(chǔ)研究和提供公共技術(shù)服務(wù);(3)缺乏清晰系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展路線和長期的發(fā)展思路,沒有制定連續(xù)、滾動(dòng)的研發(fā)投入計(jì)劃;(4)用于研發(fā)的資金支持明顯不足。

5.2 產(chǎn)業(yè)體系薄弱,配套能力不強(qiáng)

我國近年來產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展是建立在國內(nèi)資金快速投入的基礎(chǔ)之上。在技術(shù)上,我國仍落后于世界最先進(jìn)水平,產(chǎn)品缺乏競爭力;在關(guān)鍵工藝、設(shè)備和原材料供應(yīng)方面,仍依賴進(jìn)口,受制于國外技術(shù)的壟斷;生產(chǎn)集中度低:湖南省大大小小鋰離子電池材料和鋰離子電池廠達(dá)近20家,但上規(guī)模的不多,而生產(chǎn)磷酸鐵鋰的廠家更小;技術(shù)裝備落后,環(huán)境污染嚴(yán)重,目前湖南省眾多四氧化三鈷生產(chǎn)企業(yè)從鈷鹽采用銨鹽體系直接生產(chǎn)四氧化三鈷的工藝,但該工藝存在的主要問題有:銨鹽體系產(chǎn)生高濃度氨氮廢水,造成環(huán)境污染,且鈷的直收率低。

6 對(duì)策及建議

1.加大研發(fā)投入力度,組建戰(zhàn)略性新能源材料研發(fā)中心。盡快建立健全湖南省科研院所、高校和企業(yè)共同申報(bào)國家級(jí)重大研究項(xiàng)目的機(jī)制體制,充分依托中南大學(xué)的科教資源優(yōu)勢,建立以企業(yè)為主體的工程技術(shù)中心、產(chǎn)品研發(fā)中心、博士后流動(dòng)站以及各類科技開發(fā)實(shí)體,通過產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合實(shí)現(xiàn)更多的重大科研成果,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)科技進(jìn)步。

2.大力發(fā)展先進(jìn)電池材料產(chǎn)業(yè)。研發(fā)以廉價(jià)材料制備大容量、大功率、高效能、無污染鋰離子電池材料技術(shù)。

3.調(diào)整結(jié)構(gòu)提高產(chǎn)業(yè)集中度。一是要大力調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu),瞄準(zhǔn)國際國內(nèi)市場需求,大力發(fā)展精深加工,從低層次、粗加工產(chǎn)品轉(zhuǎn)變到發(fā)展高科技含量、高附加值產(chǎn)品的道路上來;二是要大力調(diào)整技術(shù)結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮湖南省科研院所的技術(shù)優(yōu)勢,重點(diǎn)研究開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品,鼓勵(lì)企業(yè)引進(jìn)新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備,不斷完善科技創(chuàng)新保障體系;三是要大力調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)業(yè)集中度,運(yùn)用市場機(jī)制,通過參股、重組、并購等方式進(jìn)行整合。

4.出臺(tái)支持政策。為應(yīng)對(duì)國際化趨勢,增強(qiáng)戰(zhàn)略性新能源材料產(chǎn)業(yè)的競爭力,幫助其抓住機(jī)遇加快發(fā)展,著重從以下幾個(gè)方面予以重點(diǎn)支持:保障土地使用;加大技術(shù)改造;鼓勵(lì)自主創(chuàng)新;營造良好環(huán)境。

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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

陳海清(1962-),男,研究員級(jí)高級(jí)工程師,碩士,主要從事冶金過程的強(qiáng)化與節(jié)能、資源綜合利用、冶金新材料及新能源材料的研究工作。

2010-10-22