锂离子电池行业前沿科技进展

最近几年，随着马斯克(Musk)带领的特斯拉电动车（TeslaMotors）公司风靡全球，电动汽车行业进入到大众视野，而这其中的关键技术——锂离子电池在各国受到了前所未有的关注和支持，同时涌现出越来越多的创新技术和创业公司。

1.锂离子电池概况

电池作为一种电能储存装置已有200年的发展历史，从最初的不可充电电池（如锌锰干电池）到可充电电池（如铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池）到最近的锂离子电池。特斯拉电动车上的电池即锂离子电池，型号18650（其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池）。锂离子电池技术从上世界60年代开始研究，于1992年被日本索尼公司商业化推向市场。

2.锂离子电池结构和材料

18650型锂离子电池

18650型锂离子电池内部结构

锂离子电池结构原理图

锂离子电池内部主要由正极（cathode）、负极（anode）、隔膜（separator）和电解质（electrolyte）构成。充放电过程中锂离子通过电解质在正负极之间扩散并嵌入或脱出活性材料而储存电能。

四个重要技术参数：

能量密度（单位质量所含有的电量），功率密度（单位质量在单位时间提供的电量），安全性能，循环寿命（电池容量降至额定容量的80%之前所能使用的充放电循环次数）。

锂离子电池材料

锂离子电池材料主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液组成，此外还有电池外壳。当前商业化的电池材料中，正极材料主要有钴酸锂（如各种电子产品采用）、磷酸铁锂（如比亚迪汽车采用）、三元材料（如特斯拉汽车采用），负极材料主要有石墨材料和钛酸锂材料，隔膜材料主要是高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜，电解液主要采用有机锂盐化合物，外壳主要采用钢壳。

3.锂离子电池产业链结构

锂电池产业链结构图

锂电池产业链经过二十年多年的发展已经形成了一个专业化程度高、分工明晰的产业链体系。正负极材料、电解液和隔膜等材料厂商为锂离子电池产业链的上游企业，为锂离子电芯厂商提供原材料。电芯厂商使用上游电芯材料厂商提供的正负极材料、电解液和隔膜生产出不同规格、不同容量的锂离子电芯产品；模组厂商根据下游客户产品的不同性能、使用要求选择不同的锂离子电芯、不同的电源管理系统方案、不同的精密结构件、不同的制造工艺等进行锂离子电池模组的设计与生产。锂离子电池产业链的下游应用包括消费电子产品、电动交通工具和工业储能等。

4.锂离子电池目前市场状况和未来市场前景

2011-2015年全球锂离子电池市场规模

全球锂电池市场规模从2011年的840亿元增至2015年的1755亿元，年均复合增长率达到20.2%，全球锂离子电池市场保持稳步增长态势。

2011-2015年全球锂离子电池市场份额变化图

目前，中国、日本和韩国生产的锂离子电池占全球产量的95%左右，中国产量增长迅速且所占市场份额稳中有升。我国锂离子电池占全球的市场份额由2011年的33%增至2015年的48%。我国锂离子电池产业进入快速成长阶段，成为全球主要的锂离子电池生产国。

当前，锂离子电池主要应用于小型智能产品中，如智能手机、智能手表等，未来，锂离子电池将会应用于大型智能设备中，如电动汽车、机器人、智能家居设施等，这些大型设备需要更多的锂离子电池，更大的市场将会带动锂离子电池产业巨大发展，对锂离子电池的需求将会呈指数级增长。未来5到10年将会是锂离子电池行业发展的辉煌时期。

中国企业也将从电芯制造商向上下游拓展。上游主要是从原材料入手，中国企业将会更多参与到上游锂矿、石墨矿资源的收购兼并中，隔膜、电解液的生产技术将会转移到中国，中国生产的隔膜和电解液市场份额将会大幅提升。下游，中国企业将会参与到锂离子电池模块化设计和生产，并将这些技术应用于更多的产品中，如电动汽车、机器人、智能家居设施等。

5.锂离子电池当前发展水平及问题

当前发展水平：

单体锂离子电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂为3.2V），是镍氢、镍镉电池的3倍。商业化产品能量密度达到150mAh/g以上，已接近其理论值的约88%，功率密度已达到160Wh/Kg左右（2-3倍于镍氢电池，3-4倍于镍镉电池）。循环寿命平均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂材料可以达到2000次以上。

当前面临的问题：

（1）锂离子电池的能量密度仍然较低，不能满足未来发展需要，如ModelS电动车的电池板总重高达900千克（续航440公里），约占整车质量的43%；（2）锂离子电池的功率密度不能满足未来电动汽车动力电池的要求，如我国动力电池发展目标是2020年达到300Wh/kg；（3）锂离子电池的安全性能亟待提高，如锂离子电池起火导致波音787飞机停飞，以及特斯拉电动车受碰撞发生爆炸。

6.技术发展趋势及优秀创新创业团队

目前从技术发展方向看，锂离子电池有三大趋势：（1）开发和使用新的高性能电极材料；（2）发展电动汽车用大容量锂离子动力电池；（3）进一步降低锂离子电池的成本和提高电池的安全性能。

特斯拉电动汽车使用的是松下为其提供的锂离子电池，该锂离子电池采用了三元材料—镍钴铝酸锂正极材料，该材料在成本上比传统的钴酸锂正极材料大幅降低，但提高了电池的动力学性能，同等容量下显著提高了特斯拉电动汽车的输出功率，并且电池的使用寿命、大电流充电能力（快速充电技术的一项重要指标）也得到提高。特斯拉的中国对手比亚迪，为了降低电动汽车的成本，采用了磷酸铁锂正极材料，该材料能量密度有所降低，但成本减少更多，使用寿命约是镍钴铝酸锂材料的两倍，安全性能更是已商业化正极材料中最好的。未来，应用于载重卡车、叉车等高功率设备的动力电池将会迎来快速发展，发展锂离子动力电池将已经成为新能源汽车制造商的新战场。日前，戴姆勒汽车公司就推出了首款名为UrbaneTruck的电动卡车，该款卡车重26吨，最远行驶里程为200公里，在特制快速充电桩充电时间为2小时，主要用于城市送货。

6.1.开发和使用新的高性能电极材料

当前，锂离子电池的负极材料主要为石墨，理论能量密度为372mAh/g，商业产品已达到360mAh/g，继续提高的难度非常大，开发新的高能量密度负极材料已成定局。硅材料因其理论能量密度是石墨材料的24倍而受到了极大的关注和研究。

斯坦福大学材料系崔屹教授带领的团队很早就介入硅负极材料的研究，在Nature、Science等高影响杂志上发表很多论文，在科研界处于领先水平。团队开发的硅负极材料能量密度已超过1000mAh/g。同时，崔屹团队也致力于研究高能量密度正极材料，硫单质材料因其1675mAh/g的高能量密度而受到广泛研究，同时这种材料价格便宜，产业化成本低。崔屹团队开发的硫正极材料能量密度已达到1000mAh/g以上，所设计的锂硫电池（另一种锂离子电池，和当前的锂离子电池技术类似）整体能量密度达到300mAh/g以上。崔屹教授创立的Amprius公司已获得1亿美元风险投资用于商业化硅负极材料，该公司在中国南京建立了研发实验室和试验生产基地，并在无锡建有生产工厂，已经小批量试制出手机用锂离子电池。

6.2.提高锂离子电池的安全性能

当前，大规模商业化的锂二次电池普遍采用有机碳酸酯类的液态电解质，易泄露、易燃烧、易爆炸等安全问题限制了该类电解质的进一步应用。固态电解质（solid-stateelectrolyte）具有安全性能好、工作温度区间广、循环寿命长等优点。通常还具有优异的力学性能，可以很好地抑制锂金属电极在充放电过程中的枝晶生长，减少电池爆炸事故，提高了锂离子电池的安全性能，具有十分重要的应用前景。

麻省理工学院材料系唐纳德·萨多韦教授是固态电解质研究领域的权威专家，所带领的科研团队在Nature、Science等高水平杂志上发表了很多具有里程碑意义的论文。麻省理工学院博士后胡启朝从该研究团队出来，于2012年创立SolidEnergySystems公司，获得麻省理工学院全球独家专利使用权，同时是第一家也是唯一一家与A123形成战略合作伙伴的创业公司。该公司研制出一种新型的锂金属电池，这种新型电池显著提高了锂离子电池的能量密度，远超当前电池水平。该公司应用多项新材料发展了一种高电量的“无正极”锂金属电池，采用锂金属薄膜作为负极，其厚度仅仅是传统锂电池负极材料的五分之一，重量也更轻，使得新型电池的体积缩小了一半，提升了电池的能量密度（即同等体积下，电池具有更多的电能）。同时，该电池采用的固态电解质让电池具备更强的散热性及阻燃特性，显著提升了安全性与持久性。这种新型电池完全兼容现有的锂离子电池生产设备，已经小批量试制。2015年10月1日，该公司展示了全球首款双倍电量的可充电式手机用锂金属电池原型，并成功获得超过1200万美元的风险投资。经过3年多努力，SolidEnergy从研发开始走入中试生产，搬到了位在沃本（Woburn）的全新总部，这里拥有全国最先进的实验设施，并且比原本的地方大上10倍，可以塞得下一具波音747的机翼。他们下一步就是在今年11月推出产品，率先在能源科技领域立下一座新的里程碑。这种固态电解质和锂金属电池完美融合形成的全固态锂离子电池将会是锂离子电池发展的一个全新方向。近日，英国商人詹姆斯·戴森（JamesDyson）成立的公司收购了固态电池企业Sakti3，并表示将会投资近10亿美元大量生产固态锂离子电池。