我国锂离子电池产业技术发展概况
锂离子电池最早在20世纪90年代由日本索尼公司成功研制，随后在全球范围内快速发展，目前该产业已经形成了由中国、日本、韩国主导的全球锂电市场。锂离子电池是21世纪最有应用价值的理想电源，也被称为“摇椅式电池”，具有放电电压高、能量密度大、循环寿命长、绿色无污染等优点[1]，根据应用场景不同，锂离子电池可分为动力、消费和储能3种。近年来，随着“环境倒逼机制”的强化和新能源汽车产业的兴起，动力电池逐渐成为了锂电池市场的主力，并驱动锂离子电池产业更快发展。
锂离子电池主要由正负极、电解质、隔膜等关键材料组成，各部分材料性能决定了电池的电化学性能。目前，以磷酸铁锂电池为代表的上一代锂电池即将成为过去；三元材料锂离子电池以其良好的三元协同效应和低温性能成为技术主流；全固态锂电池结合了高能量密度与安全性好的优点，是下一代锂电技术的重要发展方向。
1 锂离子电池产业发展现状
从全球范围来看，日本的锂离子电池制造业布局最早，发展最完善，因此日本锂离子电池制造业在全球长期占有着十分重要的地位。虽然近年来其市场占比有所下降，但是仍然占有20%左右的份额。同时，世界其他国家加快推动锂电技术研发，尤其是韩国和中国在锂电行业不断取得技术突破，市场地位快速提升，市场占有率不断增加。当前，以中、日、韩为主导的全球锂电市场基本形成。
近年来，随着锂离子电池在电动汽车、3C（消费电子产品）等领域的应用需求快速增长，全球锂离子电池产业体量和市场规模不断扩大。2018年，全球锂离子电池总体产量达到170.5GWh（见图1），同比增长15.12%。2018年，全球锂电池市场规模增长到350亿美元（见图2），年复合增长率高达15.1%。2017年，锂离子电池主要应用市场增速放缓，但受益于新能源汽车行业景气和环保需求带动，预计未来全球锂电池增速稳定，到 2020年全球锂电池市场规模将超过400亿美元[2]。
目前，全球锂离子电池产业主要集中在中国、日本和韩国。各国产业发展均呈增长趋势，中国增速保持平稳，日本增速正在回暖，韩国增速有所放缓。全球锂离子电池产业的发展特点是：技术研发不断取得新突破；动力应用引领产业发展方向；产业发展重心向中国靠拢；产业整合度不断提高。
从国内来看，中国已成为全球锂电池发展最活跃的地区。从产量上来看，2017年，中国锂离子电池产量约为88.7GWh，同比增长29.3%，其中动力电池产量44.5GWh（见图3），超过3C产品成为最大的消费端，动力电池消费量占总产量的50%[3]。基于新能源汽车需求增长、旧电池更新、锂电替代铅酸以及海外市场扩大等因素，动力电池正在成为中国锂离子电池产业最大的驱动引擎，市场重心将进一步向动力应用转移，国内动力锂离子电池生产企业迎来了难得的发展机遇。
从应用领域来看，动力、3C以及储能等产业快速发展已成为锂离子电池产业发展的主要驅动力。其中，动力电池由于新能源汽车需求及产量增加而快速增长，同时电动自行车中锂离子电池渗透率稳步提升而使其市场占比不断增加；3C用电池增长缓慢，导致市场占比不断下滑；储能电站加快建设，移动通信基站领域需求扩大，开拓了储能应用市场，并不断加快锂离子电池在储能领域的普及。
2 锂离子电池技术发展现状
随着新能源汽车、3C等产业的迅速发展，单一的锂离子电池，如锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂电池等，其性能已经无法满足各类不同应用的具体需求，为追求高能量密度、高功率密度以及更长寿命等更高性能，人们陆续瞄准锂离子电池新的技术方向[4，5]。
从当前的动态来看，传统的锰酸锂电池、钴酸锂电池[6]等技术路线早已落后，磷酸铁锂电池[7]技术路线正在被替代，三元锂电池技术路线逐渐成为主流。三元锂电池产品日趋成熟，美国特斯拉Model系列车型已经实现突破，其Model 3的规模化生产、销售，进一步论证三元锂离子动力电池的可行性[8]。Model 3采用全新21700型电池，相比Model S采用的18650型电池在外观上变长变粗，能量密度也提高了20%，单体电池容量可达3～4.8Ah，容量提升35%。同时，欧美企业已经开始着手研发能量密度更高的下一代锂离子电池（如全固态锂离子电池）或下一代二次锂电池（如锂硫电池、锂空气电池，二者具有超高的理论能量密度，本质上不属于锂离子电池范畴），以期在这些电池技术上实现动力电池和储能电池产业的大翻盘。如通用汽车和大众集团，分别投资入股全固态锂离子电池技术开发企业Sakti3和QuantumScape。
2.1 三元锂离子电池
三元锂离子电池即正极为三元材料的锂离子电池，因其相比于磷酸铁锂电池，具备优异的低温性能，拥有很高的开发价值和市场前景。三元材料常用的有镍钴锰酸锂LiNixCoyMn1-x-yO2（NCM）和镍钴铝酸锂LiNixCoyAl1-x-yO2（NCA）。三元材料存在明显的三元协同效应，综合了钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等材料的优点，能量密度高、容量高、成本低、循环稳定性好，而且三元材料体系组成多样，制备时可对材料体系进行调制和选择，从而满足不同需要。三元材料的不足在于其安全性仍有待提高。
当前，三元材料研究的重点方向集中在以下几点。
2.1.1 高镍三元材料
高镍三元材料中镍的摩尔分数大于0.6。高镍化处理可显著降低材料成本，并保证材料的高比容量，但会导致材料热稳定性变差、容量保持率降低。目前高镍三元材料的制备方法主要是共沉淀法与高温固相法相结合[9]。首先通过共沉淀法制备出混合均匀、粒径均一的前驱体，然后经过高温煅烧得到表面形貌规整、过程易于控制的三元材料。喷雾干燥法[10]较共沉淀法制备过程简单、快速，所得材料形貌与共沉淀法相当，值得进一步研究。此外，通过掺杂和包覆改性[11]可以有效避免阳离子混排和充放电过程中产生相变等问题，从而改善材料结构稳定性。
下一篇：挑选太阳