鋰離子電池在新能源市場的現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向

李晨光

摘要：鋰離子電池，占據(jù)電池市場主導(dǎo)地位的化學(xué)電池之一;它的研究發(fā)展迅速，僅用四十余年就從理論階段進(jìn)入到商業(yè)化量產(chǎn)階段，并通過能量密度高、循環(huán)利用性能優(yōu)異等優(yōu)勢迅速占領(lǐng)電池市場，成為手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車等一系列中高端電子產(chǎn)品的首選電池。本文主要淺析鋰離子電池在全球新能源市場上的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;新能源產(chǎn)業(yè);發(fā)展方向

1 鋰離子電池的基本特點(diǎn)與發(fā)展歷程

鋰離子電池主要由正負(fù)極、電解液（或電解質(zhì)）、隔膜等元素組成，它的正負(fù)極可以自由嵌入、脫嵌鋰離子Li﹢。在充電與放電期間，Li﹢在正負(fù)極之間定向運(yùn)動(dòng)，從而釋放與儲(chǔ)存電能。

鋰離子電池的發(fā)展歷程開始于1962年。在波士頓召開的電化學(xué)學(xué)會(huì)秋季會(huì)議上，來自美國軍方的Lockheed Missile and Space Co.的Chilton Jr.和Cook提出“鋰非水電解質(zhì)體系”的設(shè)想[1]，這引出了鋰金屬在電池上應(yīng)用的可能性，鋰電池的雛形由此開始形成;伴隨著電池正負(fù)極材料與電解質(zhì)的革命性發(fā)展，1973年氟化碳鋰原電池在松下電器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，鋰原電池第一次進(jìn)入商業(yè)化階段[2]，1991年標(biāo)志著電池業(yè)一次革命的第一塊商業(yè)化鋰二次電池由索尼公司推出[3]，自此鋰二次電池的商業(yè)成品正式量產(chǎn)化銷售，也開始在普通民眾的日常生活用品中普及開來。

2 鋰離子電池的市場現(xiàn)狀

目前，鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池與鋰離子電池作為主要的4種電化學(xué)二次電池在電池市場上發(fā)光發(fā)熱。其中鋰離子電池所具有的長時(shí)間的使用壽命、良好的循環(huán)性能、充放電穩(wěn)定、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，使得它在電子設(shè)備與新能源汽車領(lǐng)域廣受廠商們的青睞。

當(dāng)下鋰電池的正極材料，有已經(jīng)技術(shù)成熟商業(yè)化的磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）、鈷酸鋰（LiCoO2，LCO）、鎳鈷錳三元材料等，也有正在研究的高電壓的氧化物正極、高容量的硫化物正極等。而負(fù)極材料上主要使用石墨負(fù)極，硅、鋰等則為新型負(fù)極材料的研究對(duì)象。

根據(jù)德勒的數(shù)據(jù)顯示，2017年-2020年，全球鋰離子電池需求量持續(xù)上升，年增長率達(dá)到了22.17%。2016-2020年，由于我國對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)出臺(tái)了一系列的扶持政策，推動(dòng)電動(dòng)車行業(yè)上游鋰電行業(yè)的迅猛擴(kuò)張，五年間年復(fù)合增長率達(dá)到了24.3%，2020年，我國的動(dòng)力電池終端需求達(dá)到了67GWh。

現(xiàn)如今，新能源行業(yè)飛速發(fā)展。作為新時(shí)代科技與環(huán)境友好的代表，鋰離子電池已經(jīng)一躍成為一顆新星，成為新能源產(chǎn)業(yè)中至關(guān)重要的一環(huán)。

3 鋰離子電池的未來前景

（一）全球市場上，鋰離子電池需求量穩(wěn)步上升

受益于全球節(jié)能減排趨勢及歐盟達(dá)成的碳排放協(xié)議，全球鋰離子電池市場在2018年后進(jìn)入需求高速發(fā)展時(shí)期。德勒的數(shù)據(jù)顯示，2017年-2020年，全球鋰離子電池需求量持續(xù)上升，年增長率達(dá)到了22.17%。2020年，全球鋰離子電池需求量達(dá)到了279GWh

隨著電動(dòng)汽車在大眾汽車市場中愈發(fā)普及，越來越多的人選擇購買新能源汽車。預(yù)計(jì)2021-2025年的電動(dòng)汽車在汽車市場上的占有率增長34.4%，而到了2025年，全球鋰離子電池整體需求量將達(dá)到1223GWh。

此外，2020年歐洲成為了全球第一大新能源汽車市場和全球第二大動(dòng)力電池消費(fèi)市場，目前歐洲動(dòng)力電池終端需求占比達(dá)到了30.4%，這將推動(dòng)歐洲動(dòng)力電池市場需求大幅增長。

（二）中國動(dòng)力電池需求仍將保持穩(wěn)態(tài)高速增長

中國擁有全球最大的汽車消費(fèi)市場和新能源汽車銷售額。2015-2020年，中國的動(dòng)力電池需求量一直位居世界第一。如圖1所示，中國的新能源汽車上游產(chǎn)業(yè)鋰電設(shè)備行業(yè)的市場規(guī)模也在逐年穩(wěn)步擴(kuò)大。目前在中國，電池終端消費(fèi)需求占比已達(dá)到了44.1%。德勒預(yù)計(jì)，2021-2025年我國動(dòng)力電池需求量年增長率將達(dá)到40%，2035年達(dá)到360GWh;到2025年，新能源汽車銷售量在汽車總銷售量中占比可達(dá)20%，2030年將會(huì)有一半的汽車銷量是新能源汽車。伴隨著中國政府新出臺(tái)的關(guān)于新能源汽車行業(yè)和其上下產(chǎn)業(yè)鏈行業(yè)的扶持政策，中國鋰離子電池行業(yè)前景依然廣闊。

（三）鋰離子電池的未來發(fā)展方向

未來，鋰離子電池需要在新能源市場上繼續(xù)放光發(fā)熱擴(kuò)大規(guī)模的同時(shí)，也要不斷改進(jìn)和完善當(dāng)前鋰離子電池的缺點(diǎn)與不足，比如：①減少溫度尤其是低溫對(duì)電池的性能影響;②目前鋰離子電池的能量密度已幾乎到達(dá)瓶頸，需要各新能源廠商探索新的鋰電池正負(fù)極材料或新的鋰離子電池類型（如固態(tài)鋰電池）;③新能源車企對(duì)于電池的可靠性和安全性的高要求與目前新能源汽車所用電池的低質(zhì)量相矛盾，這使得目前新能源汽車;④鋰離子電池的充電速度仍有待提升。在新能源汽車行業(yè)上：與傳統(tǒng)油車相比，電動(dòng)汽車的充電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于其加油速度，這導(dǎo)致電動(dòng)汽車對(duì)于充電站、充電樁的數(shù)量需求遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)油車對(duì)于加油站的需求。尤其是在節(jié)假日期間出行時(shí)，高速公路上經(jīng)常出現(xiàn)電動(dòng)汽車“一樁難求”，充電難、充電時(shí)間長等問題亟待解決。

此外，鋰離子電池的生產(chǎn)成本也需要進(jìn)一步壓低，要做到與傳統(tǒng)油車相比在價(jià)格上也能更有優(yōu)勢、更能讓消費(fèi)者接受。

在未來，隨著新材料和新制備工藝的使用，鋰離子電池有許多可能的發(fā)展方向。其中固態(tài)鋰離子電池是其中最符合需求，也是最具有希望的發(fā)展方向。它可以解決目前鋰離子電池關(guān)于正負(fù)極材料與電解液選用的局限性，從而有更大更多的選擇范圍[4]。

固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）固態(tài)鋰電池的安全性更高

液態(tài)鋰電池在新能源汽車上使用時(shí)，如果電池在使用過程中受到擠壓或撞擊變形，致使內(nèi)部電解液泄漏，其自燃或者爆炸的概率較高，電池的可靠性與安全性難以保證。而固態(tài)鋰電池內(nèi)部的固態(tài)電解質(zhì)不可燃、耐高溫，使得電池本身受到撞擊或發(fā)生泄漏時(shí)，并不會(huì)發(fā)生自燃爆炸現(xiàn)象，這與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比更加可靠安全。

（2）固態(tài)鋰電池的能量密度更高

當(dāng)使用固態(tài)電解質(zhì)后，由于其電化學(xué)窗口較寬，電池的正負(fù)極材料與傳統(tǒng)鋰電池相比有更多種多樣的選擇：負(fù)極上除去傳統(tǒng)石墨負(fù)極，還可以使用碳復(fù)合硅基負(fù)極等;正極上可使用高鎳正極等高電壓的材料。由于正負(fù)極材料的選用范圍與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比更加寬大，這給予了鋰電池在能量密度方向上很大的發(fā)展空間，有利于未來鋰電池的技術(shù)發(fā)展。

（3）固態(tài)鋰電池理論上還可以滿足新能源汽車的其他需求

除了安全可靠、能量密度高以外，循環(huán)利用、低污染、溫度敏感性低等因素也是各新能源廠商重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。固態(tài)鋰電池也可以通過改變正負(fù)極電極的體積結(jié)構(gòu)、材料，使用凝膠態(tài)界面等技術(shù)來滿足鋰電池耐極高溫、耐極低溫、耐穿刺擠壓、循環(huán)壽命長等各類需求。

4結(jié)語：

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，面對(duì)新時(shí)代的碳中和理念、全球節(jié)能減排趨勢等對(duì)環(huán)境友好的發(fā)展訴求，面對(duì)石油、煤礦、天然氣等不可再生能源的未來枯竭可能，污染嚴(yán)重、效率低下的傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)勢必要向新能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展;而鋰離子電池作為新能源產(chǎn)業(yè)中的中流砥柱，不管是普通民眾的日常生活方面，還是軍事和工業(yè)上的專業(yè)領(lǐng)域，它的使用量將會(huì)進(jìn)一步提升。高效率、高安全性、高能密、低成本是未來鋰離子電池的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]Chilton Jr，Cook J E.ln：Abstract，ECS Fall Meeting，Bos-ton，1962.90-91

[2]森田昌行，池田宏之助等編著.次時(shí)代型リチウマ二次電池.東京：エヌ.テイ？.エス，2003，5[Morita Met al eds.Next General Lithium Secondary Battery.Tokyo，2003，5[in Japanese]]

[3]黃彥瑜.鋰電池發(fā)展簡史[J].物理，2007，（08）：643-651.

[4]田桂麗.固態(tài)鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)，2018，（06）：30-35+43.