鉅大LARGE | 點擊量：1190次 | 2022年08月22日
鋰電池行業前沿科技進展
最近幾年，隨著馬斯克(Musk)帶領的特斯拉電動車（TeslaMotors）公司風靡全球，電動汽車行業進入到大眾視野，而這其中的關鍵技術——鋰離子電池在各國受到了前所未有的關注和支持，同時涌現出越來越多的創新技術和創業公司。
1.鋰離子電池概況
電池作為一種電能儲存裝置已有200年的發展歷史，從最初的不可充電電池（如鋅錳干電池）到可充電電池（如鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池）到最近的鋰離子電池。特斯拉電動車上的電池即鋰離子電池，型號18650（其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池）。鋰離子電池技術從上世界60年代開始研究，于1992年被日本索尼公司商業化推向市場。
2.鋰離子電池結構和材料
18650型鋰離子電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
18650型鋰離子電池內部結構
鋰離子電池結構原理圖
鋰離子電池內部主要由正極（cathode）、負極（anode）、隔膜（separator）和電解質（electrolyte）構成。充放電過程中鋰離子通過電解質在正負極之間擴散并嵌入或脫出活性材料而儲存電能。
四個重要技術參數：
能量密度（單位質量所含有的電量），功率密度（單位質量在單位時間提供的電量），安全性能，循環壽命（電池容量降至額定容量的80%之前所能使用的充放電循環次數）。
鋰離子電池材料
鋰離子電池材料主要由正極材料、負極材料、隔膜和電解液組成，此外還有電池外殼。當前商業化的電池材料中，正極材料主要有鈷酸鋰（如各種電子產品采用）、磷酸鐵鋰（如比亞迪汽車采用）、三元材料（如特斯拉汽車采用），負極材料主要有石墨材料和鈦酸鋰材料，隔膜材料主要是高強度薄膜化的聚烯烴多孔膜，電解液主要采用有機鋰鹽化合物，外殼主要采用鋼殼。
3.鋰離子電池產業鏈結構
鋰電池產業鏈結構圖
鋰電池產業鏈經過二十年多年的發展已經形成了一個專業化程度高、分工明晰的產業鏈體系。正負極材料、電解液和隔膜等材料廠商為鋰離子電池產業鏈的上游企業，為鋰離子電芯廠商提供原材料。電芯廠商使用上游電芯材料廠商提供的正負極材料、電解液和隔膜生產出不同規格、不同容量的鋰離子電芯產品；模組廠商根據下游客戶產品的不同性能、使用要求選擇不同的鋰離子電芯、不同的電源管理系統方案、不同的精密結構件、不同的制造工藝等進行鋰離子電池模組的設計與生產。鋰離子電池產業鏈的下游應用包括消費電子產品、電動交通工具和工業儲能等。
4.鋰離子電池目前市場狀況和未來市場前景
2011-2015年全球鋰離子電池市場規模
全球鋰電池市場規模從2011年的840億元增至2015年的1755億元，年均復合增長率達到20.2%，全球鋰離子電池市場保持穩步增長態勢。
2011-2015年全球鋰離子電池市場份額變化圖
目前，中國、日本和韓國生產的鋰離子電池占全球產量的95%左右，中國產量增長迅速且所占市場份額穩中有升。我國鋰離子電池占全球的市場份額由2011年的33%增至2015年的48%。我國鋰離子電池產業進入快速成長階段，成為全球主要的鋰離子電池生產國。
當前，鋰離子電池主要應用于小型智能產品中，如智能手機、智能手表等，未來，鋰離子電池將會應用于大型智能設備中，如電動汽車、機器人、智能家居設施等，這些大型設備需要更多的鋰離子電池，更大的市場將會帶動鋰離子電池產業巨大發展，對鋰離子電池的需求將會呈指數級增長。未來5到10年將會是鋰離子電池行業發展的輝煌時期。
中國企業也將從電芯制造商向上下游拓展。上游主要是從原材料入手，中國企業將會更多參與到上游鋰礦、石墨礦資源的收購兼并中，隔膜、電解液的生產技術將會轉移到中國，中國生產的隔膜和電解液市場份額將會大幅提升。下游，中國企業將會參與到鋰離子電池模塊化設計和生產，并將這些技術應用于更多的產品中，如電動汽車、機器人、智能家居設施等。
5.鋰離子電池當前發展水平及問題
當前發展水平：
單體鋰離子電池的工作電壓高達3.7-3.8V（磷酸鐵鋰為3.2V），是鎳氫、鎳鎘電池的3倍。商業化產品能量密度達到150mAh/g以上，已接近其理論值的約88%，功率密度已達到160Wh/Kg左右（2-3倍于鎳氫電池，3-4倍于鎳鎘電池）。循環壽命平均可達到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰材料可以達到2000次以上。
當前面臨的問題：
（1）鋰離子電池的能量密度仍然較低，不能滿足未來發展需要，如ModelS電動車的電池板總重高達900千克（續航440公里），約占整車質量的43%；（2）鋰離子電池的功率密度不能滿足未來電動汽車動力電池的要求，如我國動力電池發展目標是2020年達到300Wh/kg；（3）鋰離子電池的安全性能亟待提高，如鋰離子電池起火導致波音787飛機停飛，以及特斯拉電動車受碰撞發生爆炸。
6.技術發展趨勢及優秀創新創業團隊
目前從技術發展方向看，鋰離子電池有三大趨勢：（1）開發和使用新的高性能電極材料；（2）發展電動汽車用大容量鋰離子動力電池；（3）進一步降低鋰離子電池的成本和提高電池的安全性能。
特斯拉電動汽車使用的是松下為其提供的鋰離子電池，該鋰離子電池采用了三元材料—鎳鈷鋁酸鋰正極材料，該材料在成本上比傳統的鈷酸鋰正極材料大幅降低，但提高了電池的動力學性能，同等容量下顯著提高了特斯拉電動汽車的輸出功率，并且電池的使用壽命、大電流充電能力（快速充電技術的一項重要指標）也得到提高。特斯拉的中國對手比亞迪，為了降低電動汽車的成本，采用了磷酸鐵鋰正極材料，該材料能量密度有所降低，但成本減少更多，使用壽命約是鎳鈷鋁酸鋰材料的兩倍，安全性能更是已商業化正極材料中最好的。未來，應用于載重卡車、叉車等高功率設備的動力電池將會迎來快速發展，發展鋰離子動力電池將已經成為新能源汽車制造商的新戰場。日前，戴姆勒汽車公司就推出了首款名為UrbaneTruck的電動卡車，該款卡車重26噸，最遠行駛里程為200公里，在特制快速充電樁充電時間為2小時，主要用于城市送貨。
6.1.開發和使用新的高性能電極材料
當前，鋰離子電池的負極材料主要為石墨，理論能量密度為372mAh/g，商業產品已達到360mAh/g，繼續提高的難度非常大，開發新的高能量密度負極材料已成定局。硅材料因其理論能量密度是石墨材料的24倍而受到了極大的關注和研究。
斯坦福大學材料系崔屹教授帶領的團隊很早就介入硅負極材料的研究，在Nature、Science等高影響雜志上發表很多論文，在科研界處于領先水平。團隊開發的硅負極材料能量密度已超過1000mAh/g。同時，崔屹團隊也致力于研究高能量密度正極材料，硫單質材料因其1675mAh/g的高能量密度而受到廣泛研究，同時這種材料價格便宜，產業化成本低。崔屹團隊開發的硫正極材料能量密度已達到1000mAh/g以上，所設計的鋰硫電池（另一種鋰離子電池，和當前的鋰離子電池技術類似）整體能量密度達到300mAh/g以上。崔屹教授創立的Amprius公司已獲得1億美元風險投資用于商業化硅負極材料，該公司在中國南京建立了研發實驗室和試驗生產基地，并在無錫建有生產工廠，已經小批量試制出手機用鋰離子電池。
6.2.提高鋰離子電池的安全性能
當前，大規模商業化的鋰二次電池普遍采用有機碳酸酯類的液態電解質，易泄露、易燃燒、易爆炸等安全問題限制了該類電解質的進一步應用。固態電解質（solid-stateelectrolyte）具有安全性能好、工作溫度區間廣、循環壽命長等優點。通常還具有優異的力學性能，可以很好地抑制鋰金屬電極在充放電過程中的枝晶生長，減少電池爆炸事故，提高了鋰離子電池的安全性能，具有十分重要的應用前景。
麻省理工學院材料系唐納德·薩多韋教授是固態電解質研究領域的權威專家，所帶領的科研團隊在Nature、Science等高水平雜志上發表了很多具有里程碑意義的論文。麻省理工學院博士后胡啟朝從該研究團隊出來，于2012年創立SolidEnergySystems公司，獲得麻省理工學院全球獨家專利使用權，同時是第一家也是唯一一家與A123形成戰略合作伙伴的創業公司。該公司研制出一種新型的鋰金屬電池，這種新型電池顯著提高了鋰離子電池的能量密度，遠超當前電池水平。該公司應用多項新材料發展了一種高電量的“無正極”鋰金屬電池，采用鋰金屬薄膜作為負極，其厚度僅僅是傳統鋰電池負極材料的五分之一，重量也更輕，使得新型電池的體積縮小了一半，提升了電池的能量密度（即同等體積下，電池具有更多的電能）。同時，該電池采用的固態電解質讓電池具備更強的散熱性及阻燃特性，顯著提升了安全性與持久性。這種新型電池完全兼容現有的鋰離子電池生產設備，已經小批量試制。2015年10月1日，該公司展示了全球首款雙倍電量的可充電式手機用鋰金屬電池原型，并成功獲得超過1200萬美元的風險投資。經過3年多努力，SolidEnergy從研發開始走入中試生產，搬到了位在沃本（Woburn）的全新總部，這里擁有全國最先進的實驗設施，并且比原本的地方大上10倍，可以塞得下一具波音747的機翼。他們下一步就是在今年11月推出產品，率先在能源科技領域立下一座新的里程碑。這種固態電解質和鋰金屬電池完美融合形成的全固態鋰離子電池將會是鋰離子電池發展的一個全新方向。近日，英國商人詹姆斯·戴森（JamesDyson）成立的公司收購了固態電池企業Sakti3，并表示將會投資近10億美元大量生產固態鋰離子電池。
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