儲能鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢

曾樂才

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070）

進入21世紀(jì)以來，全球可再生能源將加速發(fā)展，到2010年，風(fēng)電、光伏的裝機容量已分別達到199.5GW、15GW，根據(jù)預(yù)測，到2020年，全球風(fēng)電、光伏將分別達到1 260GW、200GW。我國可再生能源也進入快速發(fā)展期，預(yù)計從2010年到2020年，我國風(fēng)電與光伏的裝機容量將分別從44.7GW、1GW增加到200GW、20GW。

可再生能源的主要特點是：間歇式、波動幅度大、難準(zhǔn)確預(yù)測?？稍偕茉吹目焖侔l(fā)展促使電網(wǎng)向智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)電側(cè)可控，按需發(fā)電，即發(fā)即用，電力傳輸基本上按峰值設(shè)計；可再生能源需按資源發(fā)電，如果電力傳輸繼續(xù)按峰值設(shè)計將浪費大量資源，目前許多資產(chǎn)利用率僅30%，通過拼資源發(fā)展不可持續(xù)。

儲能技術(shù)是可再生能源發(fā)電并網(wǎng)和智能電網(wǎng)的構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)國家電網(wǎng)專門機構(gòu)對風(fēng)電入網(wǎng)的研究結(jié)果，儲能容量需配到風(fēng)電裝機容量的20%～30%，參見圖1［1］。我國風(fēng)機裝機容量快速增長，儲能潛在市場需求巨大。

圖1 風(fēng)電出力保證曲線

1 儲能需求特點

應(yīng)用儲能技術(shù)可實現(xiàn)削峰填谷、提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量。儲能技術(shù)可應(yīng)用于新能源的負荷平衡、平滑入網(wǎng)、發(fā)電廠的負荷平衡、工廠與建筑的削峰、應(yīng)急供電、負荷平衡、家用電動車充電、太陽能儲能以及變電站輔助服務(wù)如頻率調(diào)整、平穩(wěn)風(fēng)能供電、負荷平衡等［2］（見圖2）。

根據(jù)功率與放電時間要求的不同，可將儲能需求劃分為。

（1）放電時間＞1h：能量型需求。

（2）放電時間＜15min：功率型需求。

在電網(wǎng)儲能領(lǐng)域，由于場地相對不受限制，更關(guān)注的是循環(huán)壽命及成本。儲能技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要評價指標(biāo)包括［3］。

（1）系統(tǒng)規(guī)模。為保證儲能系統(tǒng)出力的有效性，系統(tǒng)容量應(yīng)在MW／MWh以上，同時應(yīng)確保系統(tǒng)在此容量級別下的安全性。

（2）技術(shù)水平。包括儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命、系統(tǒng)效率及比能量3個指標(biāo)，一般要求循環(huán)壽命在5 000次以上，系統(tǒng)效率在80%以上。

（3）經(jīng)濟因素。要取得經(jīng)濟效益，參照峰谷電價差，要求儲能系統(tǒng)單位循環(huán)壽命的綜合造價滿足以下要求：

其中，η為系統(tǒng)充放電循環(huán)效率；因此，一般要求初始投資不高于1 500元／kWh。

（4）系統(tǒng)形態(tài)。儲能系統(tǒng)可以批量化生產(chǎn)，便于安裝運行及維護。

從電網(wǎng)儲能對儲能技術(shù)的要求來看，鋰離子電池技術(shù)是一種有前景的儲能技術(shù)。

2 鋰電池結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)流程與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鋰電池結(jié)構(gòu)

鋰離子電池產(chǎn)品主要有3類，即方形電池、圓柱形電池以及鋁塑膜包裝方形電池（如圖3所示，這種電池還包括聚合物軟包電池）。儲能的鋰離子電池產(chǎn)品與小型電池沒有本質(zhì)上的差別，但由于大容量應(yīng)用的需要，鋁塑封裝鋰離子電池結(jié)構(gòu)有望得到更多的應(yīng)用。

圖3 鋁塑封裝鋰離子電池結(jié)構(gòu)

2.2 鋰電池的簡要生產(chǎn)流程

方形電池（包括軟包裝和聚合物電池）生產(chǎn)方式有兩種：“卷繞式”與“疊片式”，其中卷繞自動化生產(chǎn)技術(shù)速度快、適合生產(chǎn)能量型電池產(chǎn)品；而疊片式采用了多極耳設(shè)計，適合生產(chǎn)功率型電池產(chǎn)品。圖4為典型的鋰離子電池簡要生產(chǎn)流程。鋰離子電池電極制造技術(shù)屬共性技術(shù)，設(shè)備具有一定通用性。整個工藝流程都可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)與過程質(zhì)量控制。世界大型鋰離子電池的生產(chǎn)技術(shù)不斷進步，國際著名公司如三星、LG、三洋、索尼以及尼桑／NEC等都具有質(zhì)量可控、速度很快的生產(chǎn)設(shè)施與技術(shù)。

圖4 鋰離子電池簡要生產(chǎn)流程

2.3 鋰電池生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)

以單電池為例，鋰離子電池成本構(gòu)成如圖5所示［4］。正極材料是決定電池成本高低的最重要因素。同時，正極材料的重量約占電池的2／3，正極材料的比能量等性能也決定了電池性能指標(biāo)的高低。例如，如果正極材料容量提高100%，則電池總額定電容量將提高68%；如果負極材料的電容量提高100%，則電池總額定電容量僅提高12%；因此，可以說，正極材料的發(fā)展引領(lǐng)鋰離子電池的發(fā)展。

圖5 鋰電池成本構(gòu)成

鋰離子電池關(guān)鍵正極材料種類主要有鈷酸鋰（LiCoO2）、錳 酸 鋰 （LiMn2O4）、三 元 材 料 （Li（NiCoMn）O2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4），主要性能對比如表2所示。

表2 鋰離子電池主要正極材料性能對比

鋰電池制造的關(guān)鍵與技術(shù)瓶頸包括電池設(shè)計、組裝技術(shù)、電池組管理與保護技術(shù)、材料、隔膜、電解質(zhì)等。具體如下：

（1）電池設(shè)計。大容量大功率電池的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，正負極材料、電解液、隔膜的匹配。

（2）電池組裝技術(shù)。大容量電池的安全性和單體一致性。

（3）電池組管理與保護技術(shù)。良好可靠的電池保護方案對于保證系統(tǒng)充放電性能、溫度特性、安全性能、使用壽命以及對于解決電池組單體一致性問題有重要意義。

（4）正極材料理化性能及一致性。正極材料質(zhì)量與性能是影響電池品質(zhì)的主要因素，國內(nèi)生產(chǎn)的多數(shù)材料在純度、粒度、粒度分布、工藝重復(fù)性方面仍存在缺陷。

（5）隔膜材料工藝。隔膜是保證鋰離子電池安全穩(wěn)定工作的核心材料，主要難點在于復(fù)合材料、厚度、強度、孔徑等，目前國內(nèi)主要依賴進口。

（6）高性能電解液合成技術(shù)。電解液的難點主要在于電解質(zhì)的制備、電解質(zhì)粘度、熱穩(wěn)定性、溫度范圍、電解液的阻燃添加劑，目前，最關(guān)鍵電解質(zhì)成分六氟磷酸鋰仍以進口為主。

3 鋰電產(chǎn)業(yè)鏈

鋰電池產(chǎn)業(yè)包括鋰礦資源、電池材料、電芯組裝、系統(tǒng)應(yīng)用、電池裝備及回收利用等主要環(huán)節(jié)。鋰礦資源的開發(fā)與提純屬于資源開發(fā)領(lǐng)域；電池材料屬于技術(shù)與資本密集性產(chǎn)業(yè)，材料性能的提升是整個產(chǎn)業(yè)突破的關(guān)鍵；電芯組裝屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，利用工藝手段提高產(chǎn)品一致性是關(guān)鍵；系統(tǒng)應(yīng)用則取決于對客戶市場及需求的深入理解；回收利用市場競爭環(huán)境寬松，國家也鼓勵該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前回收利用技術(shù)的突破成為瓶頸。

正極材料：鋰電池正極材料主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料、磷酸鐵鋰等。2010年全球正極材料產(chǎn)量為53 490t，其中，鈷酸鋰、三元材料分別占48%、33%，我國正極材料產(chǎn)量為27 500t，其中鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰分別占60%、13%、18%、5%，主要生產(chǎn)廠家為北京當(dāng)升、湖南瑞翔、上海杉杉科技、北大先行。

負極材料：鋰離子電池負極材料目前仍以碳材料為主，包括人工石墨、天然石墨和中間相碳微球。2010年全球負極材料產(chǎn)量為26 650t，我國負極材料的總產(chǎn)量為15 000t。我國主要負極材料生產(chǎn)企業(yè)包括深圳貝特瑞、上海杉杉科技、深圳斯諾、長沙海容等，其中，深圳貝特瑞2010年產(chǎn)量達到7 600t，成為全球第一。

電解液：2010年我國鋰電池電解液產(chǎn)量為15 000t，其中，國泰華榮生產(chǎn)3 500t，排名世界第3。目前，國內(nèi)電池生產(chǎn)商電解液配套已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，只有少部分使用進口電解液。但作為電解液的主體成分LiPF6，仍主要依靠進口。

隔膜：2010年全球鋰電池隔膜產(chǎn)量為3.69×108m2，我國2010年需求量達到1.4×108m2。雖然，我國已開始批量生產(chǎn)中低端用隔膜材料，但隔膜材料的80%仍依靠進口。

日本、中國和韓國是世界3大鋰離子電池生產(chǎn)國，其產(chǎn)量占到世界總產(chǎn)量的95%左右。2010年我國生產(chǎn)鋰電池20億只，銷售收入達到180億元。主要應(yīng)用市場為手機市場占60%，筆記本電腦市場占10%，電動工具占10%，電動自行車占3%，數(shù)碼產(chǎn)品等占12%，其他占5%。我國前4大鋰離子電池企業(yè)為天津力神、深圳比克、深圳比亞迪、東莞ATL，2010年產(chǎn)量分別為2.48、1.75、1.62、1.47億只，4家企業(yè)產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的36%。其中只有比亞迪涉及相關(guān)材料的研發(fā)生產(chǎn)，其他主要以電芯和模塊為主，部分企業(yè)也開始著手于系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。目前國際上鋰電池價格大約為每千瓦小時800美元，而我國鋰電池價格已降到每千瓦小時3 000元。

根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2010年全球鋰離子電池的產(chǎn)量約為50億只，市場規(guī)模約90億美元。預(yù)計到2020年全球市場規(guī)模將超過720億美元［5］（見圖6），主要為電動汽車和便攜式應(yīng)用。

圖6 鋰離子電池市場預(yù)測

4 鋰電在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 鋰電與其他儲能方法比較

鋰電與其他儲能方法比能量高、效率高，適用于多種用途，既適用于功率性儲能需求，也適用于能量性儲能需求［2］（見圖7），其主要技術(shù)性能與其他儲能方法對比見表3［6］。從國內(nèi)儲能需求及各類技術(shù)發(fā)展情況來看，鈉硫電池、液流電池、鋰電池3種技術(shù)最具規(guī)?；瘧?yīng)用趨勢；從技術(shù)成熟度和成本下降空間來看，鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈較成熟，國內(nèi)上下游配套基礎(chǔ)較好，短時間內(nèi)成本下降空間較大；因此，短時間內(nèi)鋰電池在儲能方面的應(yīng)用有望占領(lǐng)先機。

圖7 各儲能技術(shù)適用范圍對比

4.2 鋰電儲能應(yīng)用情況

鋰電由于其良好的綜合性能及技術(shù)成熟度與完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在儲能應(yīng)用中占有較重要的地位，如國家電網(wǎng)張北風(fēng)光儲輸示范項目在多種儲能技術(shù)中主要采用鋰電儲能。近年來，全球多項儲能示范工程也采用鋰電池技術(shù)，見表4。

5 儲能鋰電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析

5.1 鋰電儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題

鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域主要為通訊（Communication）、電腦（Computer）、消費類電子（Consumen）3C等產(chǎn)品，在電動汽車、電網(wǎng)儲能等大功率、大容量電池應(yīng)用領(lǐng)域由于技術(shù)成本等原因鋰電池的推廣應(yīng)用尚未大規(guī)模展開。例如，在能量密度方面，動力鋰電池要求在500Wh／kg，而實際為120Wh／kg；價格方面，成本目標(biāo)為每千瓦小時1 000～1 500元，而實際為每千瓦小時3 000～4 000元等。

表3 鋰電與其他儲能方法主要技術(shù)性能對比

表4 近年來全球鋰電池儲能示范工程

在鋰電池及材料的生產(chǎn)制造方面，目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)眾多，我國雖然已成為鋰電池生產(chǎn)大國，但整體技術(shù)水平卻相對落后，如生產(chǎn)工藝參差不齊，單體電池性能的一致性難以保證，自主知識產(chǎn)權(quán)缺失，容易受制于人。正極材料磷酸鐵鋰的生產(chǎn)能力快速增長，但生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，與國外水平有明顯差距，阻礙其大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。此外，知識產(chǎn)權(quán)缺失、原材料國際認(rèn)證極少等。

5.2 提高鋰電性能降低儲能系統(tǒng)成本

消費電子、電動汽車及電力儲能的發(fā)展需要將進一步推動鋰離子電池技術(shù)的進步，發(fā)展高比能量鋰離子電池在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)將是鋰電技術(shù)的一個最重要的研發(fā)方向（見圖8）。在儲能領(lǐng)域，目前盡管鋰電池技術(shù)已應(yīng)用于多個儲能示范項目，但在安全性、循環(huán)壽命和經(jīng)濟性方面需進一步改進，其中影響產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的關(guān)鍵是材料性能及產(chǎn)品一致性。下一代儲能鋰電池將朝著高壽命、低成本、高可靠性方向發(fā)展。

圖8 鋰電研究規(guī)劃（日本NEDO）

根據(jù)儲能用電池的評價來判斷，鋰電儲能有前景的技術(shù)路線包括：① 錳酸鋰或三元材料（正極）＋鈦酸鋰（負極）；② 磷酸鐵鋰（正極）＋碳體系（負極）。

當(dāng)前鋰電池行業(yè)主要處于以技術(shù)進步驅(qū)動為主的上升階段，但技術(shù)與成本的現(xiàn)狀與目標(biāo)期望存在較大差距，儲能用鋰電池降低儲能系統(tǒng)成本將成為研發(fā)重點，根據(jù)美國儲能技術(shù)中長期規(guī)劃［2］（見表5），降低儲能系統(tǒng)成本是其重要目標(biāo)。

表5 美國儲能技術(shù)中長期研發(fā)規(guī)劃主要指標(biāo)

6 結(jié) 語

可再生能源的發(fā)展與智能電網(wǎng)的建設(shè)需要儲能技術(shù)，鋰離子電池比能量高、效率高，技術(shù)進步快，既適用于功率性儲能需求，也適用于能量性儲能需求，并且產(chǎn)業(yè)鏈完整，在目前的示范應(yīng)用中鋰電技術(shù)占有先機，但大規(guī)模推廣應(yīng)用還需要進一步提高鋰電性能，降低儲能系統(tǒng)成本。

［1］楊宗麟，朱忠烈，李睿元，等.江蘇省沿海典型風(fēng)電場出力特性分析［J］.華東電力，2010，38（3）：388－389.

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［3］來小康.儲能技術(shù)十年之內(nèi)將出現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用拐點［EB／OL］.（2012－12－03）［2011－12－15］.http：／／www.escn.com.cn／2011／0627／33279.html.

［4］中國儲能網(wǎng).鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈投資價值分析［EB／OL］.（2010－12－03）［2011－12－15］.http：／／www.escn.com.cn／2010／1223／2513.html.

［5］中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會.中國鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析［EB／OL］.（2011－07－21）［2011－12－15］.http：／／www.ceeia.com／News＿View.aspx？newsid＝24020＆classid＝34.

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