用于新能源汽車的鋰離子動力電池研究進展*

楊紅斌

（長安大學科技處，西安710064）

隨著環(huán)境污染加劇和石化資源的過度開采， 地球正面臨著嚴重的生態(tài)環(huán)境危機，零排放、無污染、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好型新能源已經(jīng)成為人們的普遍訴求。21世紀伊始，各國在新能源技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)上便達成共識，新能源汽車應(yīng)運而生，成為各國維持可持續(xù)發(fā)展的一個重要舉措。2018年全球新能源汽車銷量高達197.5萬輛，同比增長68.2%，新能源汽車滲透率達2.1%，2019年1～8月全球新能源汽車累計銷量142.5萬輛，超過2017全年銷售輛，滲透率達2.4，再創(chuàng)歷史新高，汽車電動化趨勢明朗。

習近平總書記在給2019世界新能源汽車大會的賀信中指出：“當前隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革孕育興起，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正進入加速發(fā)展的新階段，不僅為各國經(jīng)濟增長注入強勁新動能，也有助于減少溫室氣體排放，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，改善全球生態(tài)環(huán)境”［1］。動力電池作為新能源汽車的核心部件，是其最為重要的組成部分，負責提供驅(qū)動力，其性能是否優(yōu)良決定了新能源汽車在安全性、實用性和市場性的發(fā)展前景。動力電池中，蓄電池是純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中唯一的動力源，主要包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。鋰離子電池相比于其他類型蓄電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放率低、使用溫度范圍寬、無記憶性效應(yīng)、成本較低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，是新能源汽車最主要的動力來源，也是目前為止應(yīng)用于各類電動汽車中綜合性能最好的動力電池之一。因此，鋰離子電池自1991年投入市場以來一直備受矚目［3］，迅速成為了各國搶占新能源汽車戰(zhàn)略高地、實現(xiàn)彎道超越的重點。作為動力電池技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點，在未來相當長的時間內(nèi)，鋰離子電池仍將是動力電池的主要技術(shù)途徑之一。

在全球鋰離子動力電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程中，中、美、日、韓四足鼎立：美國在鋰電基礎(chǔ)原料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著歷史優(yōu)勢；日本在鋰離子動力電池開發(fā)領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢明顯；韓國市場份額位居全球第一；中國的電池企業(yè)數(shù)量龐大、產(chǎn)能巨大，市場份額僅次于韓國［4］。近年來，世界對于新能源領(lǐng)域技術(shù)的迫切需求為鋰離子動力電池的技術(shù)研發(fā)提供了良好的市場前景，面對全球鋰離子動力電池技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，世界各國高度重視動力電池的發(fā)展，并基于國際國內(nèi)形勢變化、自身技術(shù)儲備，依托新能源汽車的發(fā)展，紛紛針對鋰離子動力電池研發(fā)采取了一系列措施。

我國是鋰電產(chǎn)出大國，市場份額位居世界第一，有巨大的鋰電發(fā)展前景。近年來我國動力電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，動力電池技術(shù)水平有了顯著提升，但企業(yè)總體研發(fā)水平仍相對薄弱，特別是在電池能量密度、新型電池體系研發(fā)和原材料方面與國際先進水平仍存在一定差距。此外，我國鋰電行業(yè)在快速發(fā)展的狀態(tài)下也呈現(xiàn)出了產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過剩的問題，且在成本控制上與國際先進水平還存在不少差距。

對我國而言，做好鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，有助于實現(xiàn)汽車領(lǐng)域的“彎道超車”，助力推動我國整個產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)升級，實現(xiàn)中國經(jīng)濟的騰飛。本文將結(jié)合近年來全球主要國家動力電池戰(zhàn)略規(guī)劃及我國鋰電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，對車用鋰離子動力電池研發(fā)的國際競爭和發(fā)展趨勢進行分析，并從電池關(guān)鍵技術(shù)、市場發(fā)展、后續(xù)回收利用等方面指出對我國鋰電行業(yè)未來發(fā)展的啟示或建議。

1 主要國家戰(zhàn)略規(guī)劃及技術(shù)路線差異

1.1 主要國家戰(zhàn)略規(guī)劃

1.1.1 美國

2018年，美國的電動汽車銷量持續(xù)向好，但其動力電池技術(shù)參數(shù)的研究現(xiàn)狀與理論結(jié)果還有一段距離。2019年，美國國務(wù)院的新戰(zhàn)略“能源資源治理倡議”（Energy Resources Governance Initiative，ERGI）承認對可再生能源、電動汽車和電池儲能技術(shù)的需求不斷增長將創(chuàng)造對能源礦產(chǎn)前所未有的需要。美國能源署下屬能源效率及可再生辦公室發(fā)布的“電動汽車無處不在挑戰(zhàn)藍圖”提出，將重點支持應(yīng)用于插電式混合動力汽車的鋰離子電池技術(shù)研發(fā)［5］，將如何提升電池能量密度、減少充電時間等參數(shù)作為下一階段的關(guān)注點。美國能源署關(guān)于2022年電池及電源電子目標見表1。此外，《美國燃料電池和氫能技術(shù)發(fā)展報告》［6］等美國相關(guān)政府報告通過對行業(yè)未來形勢的分析為各種研發(fā)組織和公司提供了技術(shù)支持；政府通過對消費者的補貼和稅收減免間接地進鋰電工業(yè)的發(fā)展；美國各州還根據(jù)各自的政策，積極為消費者提供相應(yīng)的激勵措施和政策，如加州要求在銷售汽車時電動汽車需占一定比例，并對消費者給予一定的購車補貼［7］，弗吉尼亞州與企業(yè)合作，推出四個鋰離子電池儲能試點項目等。

與此同時，ERGI表示，在鋰電池回收領(lǐng)域美國將通過建立專業(yè)研發(fā)中心、開展平臺競賽等多種措施，不斷研發(fā)新的先進技術(shù)，以推動全美鋰電企業(yè)減少對外源材料的依賴，進一步擴大經(jīng)濟效益。

1.1.2 日本

2018年1～9月的全球動力鋰電池出貨數(shù)據(jù)顯示：日本松下的動力鋰電池出貨量為全球第一。日本擁有目前全球最大的鋰電池企業(yè)，一直牢牢占據(jù)著鋰電高端市場的主導地位，其鋰電技術(shù)也是整個行業(yè)的風向標。近年來，日本在新能源汽車領(lǐng)域逐漸形成了以動力電池技術(shù)研發(fā)為核心的發(fā)展趨勢，在鋰電產(chǎn)業(yè)鏈中具有較高的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)水平，其主要的鋰電池企業(yè)也都具有豐富的技術(shù)經(jīng)驗和完備的生產(chǎn)體系。2006年日本發(fā)布的《新一代車載電池發(fā)展報告》提出，要大力開展創(chuàng)新性鋰離子電池的技術(shù)研發(fā)工作［8］。2013年頒布了的“二次電池技術(shù)路線圖2013”，大體規(guī)劃了日本未來近20年的鋰離子電池發(fā)展趨勢（表2）［9］。此外，2019年日本下一代新型動力電池研發(fā)計劃要求在2020年研發(fā)出單體能量密度達500Wh/kg的高能量密度鋰電池。

1.1.3 韓國

韓國政府重視動力電池在電動汽車和儲能方面的發(fā)展，并將鋰離子電池作為戰(zhàn)略支柱行業(yè)進行支持。目前韓國形成了以三星SDI和LG化學為代表的動力電池代表性企業(yè)，并在2014年躍居二次電池領(lǐng)域市場份額第一。在能量密度上，韓國鋰電行業(yè)計劃在2020—2022年單體能量密度能達到300Wh/kg，滿足整車500 km的續(xù)航里程需求；在2023—2024年能量密度達到330 Wh/kg，滿足整車600 km的續(xù)航里程需求。未來韓國鋰電行業(yè)將以綠色環(huán)保為理念，對鋰電池關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵原材料等進行攻關(guān)，開展鋰離子電池在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用拓展、評價及性能測試系統(tǒng)等領(lǐng)域的相關(guān)項目研究，打造完善的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈［10］。

表1 美國能源署關(guān)于2022年電池及電源電子目標Tab.1 USEnergy Agency's Battery and Power Electronics Targets for 2022

表2 日本車用鋰離子動力電池主要技術(shù)指標Tab.2 Main Technical Indicators of Japanese Lithium-ion Battery for Vehicles

1.1.4 中國

中國電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展離不開國家對于新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)的大力支持，我國出臺了多個關(guān)于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、發(fā)展路線圖的政策文件，對于我國電動汽車領(lǐng)域進行頂層設(shè)計。例如國家科技部在第十二個五年計劃中發(fā)布了電動汽車重大項目，對動力電池產(chǎn)業(yè)的任務(wù)和重點提出了明確要求。《中國制造2025》《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》等一系列政策，也對我國汽車鋰離子動力電池的發(fā)展提出了新要求。

《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確指出，鋰離子電池應(yīng)在安全性、能量密度、使用壽命等方面突破創(chuàng)新，要在關(guān)鍵電池材料、關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備等領(lǐng)域搭建技術(shù)創(chuàng)新平臺，尋求技術(shù)突破［11］。國家設(shè)立新能源汽車重點研發(fā)專項，強化了對新能源汽車整車能耗、續(xù)駛里程、電池性能、安全等方面的規(guī)范，提出了產(chǎn)品性能大幅提升、產(chǎn)品安全性滿足大規(guī)模使用需求、產(chǎn)品規(guī)模合理有序發(fā)展等要求。

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》對動力電池在質(zhì)量密度、成本等方面提出了明確的發(fā)展目標和重點。這些相關(guān)規(guī)劃以及發(fā)展路線圖的發(fā)布，為鋰電行業(yè)提供了進一步的發(fā)展方向。同時，國家傾向于扶持高比能量動力電池，強調(diào)要大力推進新型電池結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)，搶占技術(shù)突破高臺，實現(xiàn)電池材料技術(shù)突破性發(fā)展［12］。這就要求加快推進動力電池生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新，提升動力電池工程化和產(chǎn)業(yè)化水平。

1.2 各國鋰離子電池技術(shù)路線差異

在技術(shù)路線選擇上，中日美韓四國有著方向上的差異。根據(jù)正極材料的不同，鋰離子動力電池主要有鈷酸鋰、改性錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰等技術(shù)路線。在負極材料的選擇上，石墨類材料因其性價比優(yōu)勢成為各國的首選材料，鈦酸鋰由于具有最優(yōu)的倍率性能和循環(huán)性能，適合大電流快速充電，應(yīng)用也較為廣泛，在部分領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)成熟的商業(yè)應(yīng)用。除這些優(yōu)點外，同為層狀結(jié)構(gòu)的三元正極材料由于其低成本，低毒性和更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于動力電池領(lǐng)域。

具體而言，日本企業(yè)從鈷酸鋰材料，到錳酸鋰材料，再到改性錳酸鋰和三元材料的路線選擇，演變較為多樣。目前，日本的鋰電研究重點在于高功率輸出和高能量密度兩方面，并且會通過進一步優(yōu)化鎳鈷含量比例，開發(fā)繼續(xù)引領(lǐng)高能量密度優(yōu)勢的新型材料，發(fā)展新的結(jié)構(gòu)電池單體以提高其安全性和容量。開發(fā)出的正極材料有鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等，并已經(jīng)在規(guī)?；瘧?yīng)用。同時，日本還重視創(chuàng)新性電池體系的開發(fā)，且在全固態(tài)鋰離子電池、鋰硫電池、金屬負極電池等方面均已取得較大突破。

韓國企業(yè)以錳酸鋰材料路線為基礎(chǔ)，近年來全面轉(zhuǎn)向鎳鈷錳三元材料的研發(fā)。在三元材料的開發(fā)方面，韓國企業(yè)選擇了將鎳鈷錳酸鋰（NCM）與鎳鈷鋁酸鋰（NCA）齊頭并進的發(fā)展方式，主要從高功率、高容量、低成本、高安全性四個方面開展鋰電池技術(shù)研究，主要的發(fā)展方向是增加能量密度（增加鎳含量）、降低成本（減少鈷含量）和提高充電性能（引入人造石墨負極）。

美國鋰電技術(shù)主要以磷酸鐵鋰電池為主，近年來鋰電研發(fā)逐步向全固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空氣電池新體系等進發(fā)，擬尋找新型電極材料和化學反應(yīng)體系以謀求電池性能的提升和成本的降低。如使用新的高容量硅碳負極材料代替原有的石墨負極以提高能量密度，采用耐高壓、環(huán)保的電解質(zhì)解決電池安全性方面問題，研發(fā)新的化學反應(yīng)體系來降低電池成本等。

我國企業(yè)目前主要存在磷酸鐵鋰電池和三元電池兩種技術(shù)路線。國內(nèi)中小型企業(yè)主要應(yīng)用磷酸鐵鋰電池，技術(shù)較為成熟，其電池能量密度從2007年的90Wh/kg提高到2019年180Wh/kg［13］。然而，磷酸鐵鋰電池能量密度提升空間有限，隨著對動力電池能量密度要求的大幅提升，國內(nèi)大型動力電池廠商如比亞迪、寧德時代等已經(jīng)確定在電動乘用車產(chǎn)品上主要使用以鎳鈷錳三元、鎳鈷鋁或其混合材料為代表的技術(shù)路線。

2 動力鋰離子電池發(fā)展趨勢

1）能量密度、成本、壽命將成為鋰離子電池的重點關(guān)注方向

從整個電池的發(fā)展體系上看，動力電池的能量密度較低、快充能力受限、成本較高，在電動車的續(xù)航里程、充電體驗以及購置成本等方面較燃油車仍有劣勢，因此高能量密度和低成本是汽車動力電池一直努力的方向。中、日、韓、美等國的戰(zhàn)略規(guī)劃表明，未來電池行業(yè)將以能量密度、成本、循環(huán)壽命等作為動力電池的重點評價指標。目前各國對這些電池指標的要求和應(yīng)用大致相近，但由于各國環(huán)保訴求、技術(shù)儲備等差異，各國對于鋰電未來發(fā)展方向的認識各有側(cè)重：日本在電池能量密度方面尋求突破、建構(gòu)“超級電池”夢想；韓國著力于通過電池體系材料的改進、實現(xiàn)電池各方面指標的整體優(yōu)化；美國更關(guān)注單體電池成本；中國則將重點放在了能量密度和成本協(xié)調(diào)發(fā)展上。2020年將是鋰離子動力電池技術(shù)大幅提升的階段，鋰離子電池比能量逐步提升、成本逐漸降低將成為鋰電行業(yè)的發(fā)展趨勢。與此同時，鋰離子動力電池的行業(yè)競爭必將不斷加劇。

2）優(yōu)良的正負極材料的保證了動力鋰離子電池的優(yōu)良性能

正極材料作為鋰離子電池四大關(guān)鍵部分之一，是決定電池電壓、能量密度以及安全性等的重要因素。目前，隨著以鈷酸鋰（LCO）、鎳鈷鋁酸鋰（NCA）、鎳鈷錳酸鋰（NCM）、磷酸鐵鋰（LFP）、鈦酸鋰（LTO）等正極材料相關(guān)技術(shù)突破，鋰離子電池的各方面性能均有提升，且電池成本也在不斷下降［14］。未來，汽車動力電池的正極材料將不斷向多元材料過渡，富鎳材料將成為其中主流［15］。高鎳多元材料改變了混合材料中的鎳鈷比，增大了鎳的用量，不僅大大降低了材料成本，而且顯著提升了鋰電池能量密度。隨著其安全性能方面實現(xiàn)技術(shù)突破，高鎳多元材料將會迎來在鋰電正極領(lǐng)域大范圍的推廣和應(yīng)用。鋰電池負極材料是動力電池安全性的命脈，在鋰離子電池負極材料中，當前主流使用的負極材料是碳材料，天然石墨和人造石墨占據(jù)著90%以上的負極材料市場份額。其中人造石墨在倍率性能、循環(huán)壽命以及體積膨脹、防止電極反彈方面都好于天然石墨［16］。因此，人造石墨市場滲透率將繼續(xù)上升，并成為負極材料市場的主要增長點。同時，硅碳復(fù)合材料也將迎來發(fā)展的新浪潮。

3）新體系固態(tài)鋰離子電池成為鋰電行業(yè)新的研究方向

固態(tài)電池在安全性、高比能等方面具有更大的發(fā)展前景［17］，目前國內(nèi)外相繼開發(fā)出了高能量密度的固態(tài)鋰離子電池、固態(tài)金屬鋰電池和鋰硫電池［18］。相較于傳統(tǒng)的鋰離子電池而言，固態(tài)電池在能量密度、安全性、原材料的選擇上都更具優(yōu)勢：從能量密度方面看，固態(tài)電解質(zhì)可以直接使用金屬鋰來做負極，減輕負極材料的用量，從而顯著提高整個電池的能量密度；在安全性上，固態(tài)鋰電池避免了有機溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒問題，使得電池安全性更高；在原材料的選擇上，由于固態(tài)鋰離子電池負極是鋰金屬，故其正極材料可以選擇不含鋰的材料，選擇范圍寬，同時全固態(tài)鋰電池有體積小和柔性化的特點，不但可應(yīng)用于新能源汽車，也可以適應(yīng)未來高精尖電子設(shè)備市場的需求。隨著新能源汽車行業(yè)在安全性和性能方面要求的不斷提高，新型固態(tài)鋰離子電池將成為鋰電行業(yè)新的研究方向。

3 啟示與建議

1）掌握技術(shù)優(yōu)勢，推進新型鋰離子動力電池反應(yīng)體系的研發(fā)

世界環(huán)境問題的日益嚴峻向新能源汽車技術(shù)提出了更高的要求，研發(fā)一種高能量密度、高安全環(huán)保性的新體系鋰離子電池迫在眉睫。鋰離子電池向著高能量、高功率、長壽命、低成本的方向發(fā)展，將有力推動電池結(jié)構(gòu)的技術(shù)更新。未來五年是電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期［19］，應(yīng)將重點放在對鋰離子電池正負極材料、電解液、隔膜在內(nèi)的新材料開發(fā)與應(yīng)用上，同時應(yīng)大力支持鋰離子電池新體系的研發(fā)，從提高單體電池性能出發(fā)，搶占技術(shù)發(fā)展制高點，推動我國鋰離子動力電池技術(shù)革新。

2）保持產(chǎn)出優(yōu)勢，培育一批具有自主創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展的動力電池龍頭企業(yè)

中國是世界鋰離子電池產(chǎn)出大國，市場份額位居全球第二［20］。然而，近十年來，我國鋰電行業(yè)迅速發(fā)展引起的生產(chǎn)規(guī)?？焖贁U張直接導致了我國電池行業(yè)產(chǎn)能過剩和產(chǎn)品同質(zhì)化。反觀韓國企業(yè)，具有保護鋰離子動力電池專利技術(shù)的管理體系，使得韓國的鋰電行業(yè)集中度高，培養(yǎng)了如三星SDI、LG化學和SK等具有全球競爭力的電池企業(yè)。同時，這些企業(yè)之間良性的市場競爭推動了韓國鋰電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。因此，將動力電池產(chǎn)業(yè)集中到龍頭企業(yè)已成必然趨勢。未來，我國應(yīng)該實行鋰電行業(yè)優(yōu)勝劣汰制，淘汰一批低端企業(yè)，通過培育具有自主創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展能力的電池企業(yè)“領(lǐng)頭羊”、統(tǒng)一電池標準，推動鋰電池行業(yè)標準形成，從而促進我國鋰電行業(yè)更高水平的發(fā)展。

3）推動鋰電回收再利用，保障鋰離子電池產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

一般情況下，應(yīng)用于電動汽車上的動力鋰離子電池在使用一段時間后便不能滿足汽車的動力需求，需定期更換。而更換下來的鋰離子電池仍有70%～80%的容量可使用［21］，若直接將其進行資源化回收則會造成極大浪費。與此同時，鈷、鎳、鋰等動力電池原材料都是我國稀缺的戰(zhàn)略資源。［22］。因此，加強動力電池回收市場的發(fā)展不僅有利于動力電池的回收利用，也有利于改善電池原材料稀缺的窘境，具有較高的經(jīng)濟價值和環(huán)境友好性。

在我國全面推行生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，廢舊動力電池回收和循環(huán)利用必然成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。然而，我國過去的動力電池缺乏統(tǒng)一標準，電池一致性差［23］，因此，在動力電池回收領(lǐng)域我國依舊處于萌芽期，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。為保證新能源汽車產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護的可持續(xù)開發(fā)，我國應(yīng)從戰(zhàn)略高度考慮和規(guī)劃布局，并建立專門的再利用機構(gòu)進行處置。妥善解決動力電池回收問題，同時加強技術(shù)和標準方面研究，制定相關(guān)標準，推動梯次利用，加快構(gòu)建動力電池回收利用體系。