經(jīng)濟(jì)視角下鋰離子電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與未來

李 琳

（上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 上海 200431）

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮难杆僭鲩L和氣候變化問題的日益加劇，新能源技術(shù)成為解決這些挑戰(zhàn)的重要途徑。在這一領(lǐng)域中，鋰離子電池以其高能量密度、輕質(zhì)設(shè)計和可充電性質(zhì)而成為電動汽車、可再生能源存儲系統(tǒng)等領(lǐng)域的主流選擇[1]。當(dāng)前，全球新能源汽車市場正經(jīng)歷高速增長，特別是電動汽車市場份額不斷擴(kuò)大[2]。鋰離子電池作為電動汽車的關(guān)鍵動力源，其質(zhì)量和性能對電動汽車的發(fā)展至關(guān)重要。同時，隨著可再生能源發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用，對電池技術(shù)提出了更高的要求[3]。可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性和間歇性等特點，因此電池技術(shù)需要更高的儲能密度、更快的充放電速度和更長的使用壽命。在這一背景下，深入研究鋰離子電池產(chǎn)業(yè)變得尤為緊迫。需要在多個方面加強(qiáng)研究和創(chuàng)新，以提高鋰離子電池的性能和質(zhì)量，降低其成本，更好地滿足清潔能源和電動汽車領(lǐng)域的需求。同時，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，還需加強(qiáng)鋰離子電池的回收和再利用技術(shù)研究，減少其對環(huán)境的影響[4]。

1 鋰離子電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)以模仿國外成熟技術(shù)為發(fā)展源頭，逐步探索自主科研能力并轉(zhuǎn)化為核心競爭力。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年我國鋰離子電池產(chǎn)量188.5億只，產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破1750億元，進(jìn)入平穩(wěn)增長期。我國關(guān)于鋰離子電池相關(guān)的發(fā)明專利約有15590個，其中關(guān)鍵材料性能及制備占比約45%，應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)發(fā)明占比6.7%左右，主要以龍頭企業(yè)和高校引領(lǐng)技術(shù)革新，推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線整體發(fā)展。

1.2 鋰離子電池的技術(shù)研究方向

目前，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)涵蓋全生產(chǎn)鏈，包括上游資源開采、加工、冶煉和下游新能源汽車、儲能設(shè)備、電子產(chǎn)品等。正負(fù)極材料及制備方法是我國鋰離子電池科研方向之一，例如磷酸鐵鋰高溫固相反應(yīng)法、碳熱還原法、水熱法等工藝特點和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，石墨超高溫采集的技術(shù)優(yōu)化等。隨著新能源行業(yè)發(fā)展升級，鋰離子電池科研和應(yīng)用面臨新要求。隔膜分離工藝、規(guī)模化生產(chǎn)和組裝，高比容量材料在鋰離子電池制備中的應(yīng)用，鋰離子電池單體壽命延長和性能提升，新體系動力電池研發(fā)和規(guī)模化應(yīng)用等成為鋰離子電池在廣闊應(yīng)用場景中的技術(shù)研究方向。

1.3 鋰離子電池的技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)驗

在行業(yè)發(fā)展方向指引下，鋰離子電池技術(shù)創(chuàng)新獲得豐富成果。正極材料穩(wěn)定性得到提高，自燃現(xiàn)象原因分析和安全性能提升需求得到解決。圍繞電解液，研制了適用于高鎳NCM動力電池和儲能電池的功能電解質(zhì)體系。為改善隔膜性能，降低電池內(nèi)阻，已經(jīng)研究出包括氧化鋁、勃姆石、PVDF、PVDF+HFP、納米復(fù)合材料、芳綸等材料的隔膜表面涂覆層，且具備成熟工藝。電池的智能生產(chǎn)、動力電池梯次利用和再收回、電池檢測評價體系建構(gòu)等工藝技術(shù)發(fā)展顯著，積累大量創(chuàng)新經(jīng)驗，為鋰離子電池全產(chǎn)業(yè)鏈去冗能、高端化，加快融入全球市場確立優(yōu)勢。

2 鋰離子電池產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 原材料供應(yīng)與價格波動

隨著鋰離子電池市場的急速擴(kuò)張，對關(guān)鍵原材料的需求也在迅猛增長。全球鋰資源分布不均，開采速度加快，但開采難度和成本也在逐漸上升。鈷的開采與社會問題和環(huán)境破壞相關(guān)，使得鈷的供應(yīng)鏈更加復(fù)雜和不穩(wěn)定。雖然鎳的供應(yīng)相對較為穩(wěn)定，但新的電池技術(shù)對其需求也在增加，可能會導(dǎo)致未來的供需緊張。原材料價格的波動直接影響到鋰離子電池的生產(chǎn)成本。近年來，由于供需失衡、地緣政治風(fēng)險以及投機(jī)行為，鋰、鈷等原材料的價格經(jīng)歷了劇烈的波動。這種波動增加了電池制造商的經(jīng)營風(fēng)險，并可能導(dǎo)致下游應(yīng)用成本上升。

2.2 技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新需求

雖然鋰離子電池已成為主導(dǎo)的電池技術(shù)，但它仍然面臨諸多技術(shù)限制和挑戰(zhàn)。當(dāng)前鋰離子電池的能量密度已接近理論極限，難以滿足未來高續(xù)航、輕量化的需求。盡管快充技術(shù)有所進(jìn)步，但與傳統(tǒng)燃油車的加油速度相比，仍有較大差距。隨著能量密度的提高，電池的熱穩(wěn)定性和安全性問題也日益突出。面對這些技術(shù)挑戰(zhàn)，持續(xù)的研發(fā)和創(chuàng)新變得尤為重要。新的材料、設(shè)計和制造工藝都可能為突破這些限制帶來機(jī)會。例如，固態(tài)電池、鋰硫電池等都是當(dāng)前研究的熱點。

2.3 技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新需求

隨著全球?qū)Νh(huán)境問題的關(guān)注度不斷提高，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)也面臨著越來越大的環(huán)保和可持續(xù)性壓力。電池制造涉及多種化學(xué)原料和復(fù)雜的工藝，生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生廢水、廢氣和固體廢棄物，如果處理不當(dāng)會對環(huán)境造成污染。同時，廢棄電池中包含的重金屬和有毒物質(zhì)可能對環(huán)境和人體健康構(gòu)成威脅。這要求鋰離子電池產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)、使用和回收等各個環(huán)節(jié)都更加注重環(huán)保和可持續(xù)性。為此，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)需要采取一系列措施，如提高生產(chǎn)過程的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、推動電池的梯次利用和回收再利用等。同時，隨著電動汽車市場的不斷擴(kuò)大，電池回收和再利用的問題也日益凸顯。此外，提高電池的循環(huán)使用效率也是減少資源浪費和環(huán)境壓力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

3 鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展路徑

3.1 技術(shù)創(chuàng)新與突破

隨著科技的發(fā)展，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)正面臨著巨大的技術(shù)創(chuàng)新壓力和無限機(jī)遇。在眾多新興技術(shù)中，特別引人注目的是固態(tài)電池技術(shù)和新型材料的廣泛應(yīng)用與研究。

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池雖然已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，但在安全性、能量密度和充電速度等方面仍存在局限性。固態(tài)電池技術(shù)通過采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，具有更高的能量密度、更快的充電速度和更高的安全性，因此被認(rèn)為是下一代電池技術(shù)的有力候選。固態(tài)電池的發(fā)展雖然面臨一些挑戰(zhàn)，如固態(tài)電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)率和界面穩(wěn)定性等問題，但隨著科研投入的加大和技術(shù)的進(jìn)步，這些問題正在被逐步攻克。

為了進(jìn)一步提高電池性能，降低生產(chǎn)成本，必須在新型材料研發(fā)、工藝升級、規(guī)范管理等層面統(tǒng)籌設(shè)計。按照高性能、信息化、可視化原則探索鋰離子電池制造發(fā)展技術(shù)，例如開發(fā)硅基負(fù)極材料、高鎳正極材料、高能量密度磷酸鋰鐵添加劑等，針對延長電池循環(huán)壽命研發(fā)12微米以下的薄型化隔膜，通過設(shè)備更新完成全自動電芯裝配線，提高電池單機(jī)生產(chǎn)能力和性能精度。

3.2 原材料多元化與可持續(xù)采購

隨著鋰離子電池市場的不斷擴(kuò)大，對原材料的需求也在持續(xù)增長。然而，當(dāng)前鋰離子電池的原材料供應(yīng)鏈面臨多重問題，如資源短缺、價格波動、環(huán)境破壞、安全問題等。為了實現(xiàn)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步增強(qiáng)國際市場競爭力，原材料多元化和可持續(xù)采購、核心科研和生產(chǎn)能力的轉(zhuǎn)化、全產(chǎn)業(yè)降本提效變得尤為重要。

為了減少對有限資源的依賴并降低環(huán)境風(fēng)險，開發(fā)替代原材料成為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。例如，為解決鋰資源短缺的問題，科研人員正在研究鈉離子電池、鉀離子電池等替代技術(shù)。此外，為了應(yīng)對正極材料中稀缺元素（如鈷）的問題，積極研發(fā)無鈷或低鈷的正極材料。這些新型正極材料不僅可以減少對鈷等稀缺資源的依賴，還有望提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

要從根本上提高我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)競爭力，需要健全考評和激勵政策，整合產(chǎn)業(yè)資源形成創(chuàng)新合力。建立透明、可追溯的供應(yīng)鏈管理體系，確保原材料采購符合環(huán)保和社會責(zé)任標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)與供應(yīng)商的合作與溝通，推動供應(yīng)商采取可持續(xù)的生產(chǎn)方式和資源管理措施；以及積極參與國際組織和行業(yè)協(xié)會的相關(guān)倡議和標(biāo)準(zhǔn)制定工作，推動整個產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

鋰離子電池產(chǎn)業(yè)作為支撐現(xiàn)代社會運轉(zhuǎn)的重要基石，已經(jīng)取得顯著成績，但面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。技術(shù)創(chuàng)新方面，固態(tài)電池和新型材料的研究為產(chǎn)業(yè)未來開辟了廣闊的可能性。在供應(yīng)鏈層面，原材料多元化策略和可持續(xù)采購的推動將有助于產(chǎn)業(yè)更加穩(wěn)健和環(huán)保的發(fā)展。然而，這些進(jìn)步和變革需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的緊密合作、持續(xù)的研發(fā)投入以及政策與市場的雙重驅(qū)動。鋰離子電池的綜合性能提升、成本降低以及環(huán)境影響的減少將是研究的重點方向。同時，隨著新能源汽車、可再生能源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，鋰離子電池的應(yīng)用場景將進(jìn)一步拓展，這也要求產(chǎn)業(yè)不斷創(chuàng)新和適應(yīng)變化。綜合考慮技術(shù)、市場和環(huán)保等多方面因素，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷技術(shù)、市場和環(huán)保的多重考驗后，有望迎來一個更綠色、高效和可持續(xù)的未來。