Lithium-ion battery amid the fourth industrial revolution
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| 台灣區電信工程工業同業公會 |
來源： 作者：阮艺亮
1 動力電池基本概念
1.1 定義
動力電池是指在汽車上配置使用的、能夠儲存電能並可再充電的、為驅動汽車行駛提供能量的裝置，包括鋰離子動力電池、金屬氫化物鎳動力電池和超級電容器等，不包括鉛酸類電池。目前新能源汽車動力電池應用，以鋰離子動力電池系統為主。由於動力電池在汽車應用領域的關鍵性，動力電池被比作新能源汽車的心臟。
1.2 分類
1.2.1 產業化應用動力電池
目前，全球新能源汽車的電池主流應用類型為鋰離子電池。按照正極材料體系區別，目前市場應用的鋰電池可分為磷酸鐵鋰電池、三元電池和錳酸鋰電池等類型。
磷酸鐵鋰電池，正極材料為磷酸鐵鋰，該類型電池具有技術成熟度高、生產成本較低、安全性良好、循環壽命長等主要特性。
三元電池，其電池正極材料主要由鎳、錳（或鋁）、鈷與鋰元素組成。目前市場比重最高的系鎳鈷錳酸鋰電池。三元材料電池能量密度更高、充放電倍率性能和低溫性能好，但安全性、循環壽命不如磷酸鐵鋰電池。
錳酸鋰電池顧名思義其正極材料為錳酸鋰。該類型電池的成本較低、倍率性能優異、安全性好，劣勢在於儲存和循環壽命較差、比能量偏低。
1.2.2 在研新型動力電池
在全球汽車產業電動化趨勢下，高續駛里程的車輛，要求更高能量密度、更佳倍率，充放電性能的動力電池。因此下一代新體系電池應具備高比能量、高比功率、高安全性、循環壽命，以及更低的成本指標。目前在研鋰電池方向，以及固態電池為兩類主要方向。
2 動力電池產業化發展現狀
2.1 國際方面
2.1.1 市場分析
從全球動力電池產業發展格局來看，目前的動力電池材料研發與科技創新、生產製造與產業化形成三個主要集聚區域，分別是美國、日本在研發上領先，中、韓、日產業化規模最大。
從市場佔有率來看，中、韓、日三國企業生產電池，配套了全球近95％的汽車，其中中國品牌電池配套佔比超過60％。綜合技術與產業發展角度來看，美國、日本在技術研發領先，韓國在工程化應用方面領先，中國在產業規模方面領先。
表1 全球動力電池企業配套車企
2.1.2 主流技術路線應用分析
根據國際、對岸國內市場應用需求不同，不同技術路線類型的鋰電池在國際、對岸內需市場均有廣泛應用。
從全球整車企業的電池匹配來看，日系和韓系電池，主要配套全球知名車企集團，應用車型包含混合動力車型、插電式混合動力車型和純電動車型。
在技術路線方面，國際車用動力電池單體，以錳酸鋰、三元材料體系為主（高鎳體系的鎳鈷錳和鎳鈷鋁）。對岸中國動力電池，除寧德時代廣泛配套國際品牌車型電池之外，缺乏實力較強的龍頭企業參與國際競爭。
從對岸國內車用動力電池供應來看，商用車（客車、專用車）市場在其政策多年培育之下，已經趨於穩步發展，各家動力電池應用技術路線差異很小，主要發展趨向是提升能量密度，主要技術路線，仍以磷酸鐵鋰為主。
對岸國內乘用車企業主，要使用其國內品牌動力電池，產品應用以高能量密度的三元電池為主。
綜上所述在技術路線的先進性和多元化、匹配車型多樣化，以及產品國際化發展程度方面，對岸中國動力電池企業的綜合實力，相比日、韓系的企業，仍有較大發展空間。
圖 1 車用鋰離子動力電池技術路線
2.1.3 全球主要區域發展策略
美國、歐洲、日本，在動力電池方面發展路線有所差異。歐盟逐漸意識到動力電池在產業化發展方面落後，為避免產品供應依賴性，開始推進實施「電池同盟」的計劃，倡導歐盟各成員國加大投入，促進動力電池生產和回收在歐洲產業化發展。
美國動力電池產業具備下一代電池研發優勢。一是材料原始創新、工程技術創新方面的優勢。美國的電池基礎材料研發技術，和產品整合應用技術全球領先。二是在動力電池關鍵主材方面，美國在固態電池、正極鋰電池材料、矽基負極、隔膜等方面領先，其中陶氏化學在正極材料、Celgard公司在隔膜技術世界領先。
日本電池產業規模小於中國，但是在佈局下一代電池方面領先。日本電池企業主要包括兩類，一是與日系整車企業合資開展動力電池研發生產，二是獨立面向全球車企供應電池，以松下為代表企業，為福斯、特斯拉、福特等多家知名企業配套。
在下一代電池研發領域，日本經濟省與豐田、日產、本田、松下等23家汽車、動力電池，及其材料類企業聯合研發固態電池，計劃於2022年全面掌握固態電池的相關技術。
2.2 對岸中國方面
2.2.1 產業政策環境
為促進動力電池產業發展，中國頒布了相應的產業政策體系，體系內容包括產業支持政策、發展指導意見、管理規範等內容。相關政策又分為宏觀管理政策、行業發展政策、行政管理法規體系和可研專項支持等。
在宏觀層面，發展指導意見明確了動力電池產業發展的主要任務，包括基礎和前瞻科研部署、技術創新目標、關鍵共性技術突破、動力電池梯級利用回收等。
在產業管理方面，為維護市場秩序、合理配置資源、促進產業發展，其國家發改委、工信部頒布了對相關企業經營活動實施規範化管理的政策。
動力電池在這政策體系的支持下，技術水準快速進步，產業規模不斷擴大，市場集中度持續提升。在這產業發展趨勢下，動力電池產業出現了階段性、結構性的產能過剩現象，政策環境也相應由扶優扶強轉向優勝劣汰。
2.2.2 行業特點
中國動力電池行業特點，是單位投資投入高（1GWh產能建設一般需要5億人民幣）、技術門檻高、研發創新快、人才要求高、升級換代快、生產自動化要求高等特點。
動力電池產業屬於典型資本密集型高科技產業，具體體現在資金投入規模大、人員從業素質高、技術體系門檻高、產品研發迭代快、生產設備自動化、品質管理精益化等特點。
目前動力電池企業建設規模都在10GWh左右，僅項目建設投入至少5億元人民幣。動力電池技術研發與工藝工程包括奈米級基礎材料性質研發、四大主材工藝（正極、負極、隔膜、電解液）、電芯製造、電池系統整合等，生產過程複雜、環境要求苛刻、設備精度要求極高，因此行業門檻非常高。
2.2.3 主流技術類型分析
對岸中國動力電池技術路線，與全球主流應用基本一致。全球車用動力電池產品應用技術路線，以鎳鈷錳三元材料電池為主，錳酸鋰、磷酸鐵鋰技術路線發展逐漸放緩，固態電池等先進產品技術路線，尚未形成規模化工程應用。
從產品規格與標準來看，動力電池系統已經逐漸由燃油車基礎開發，逐漸轉向為新能源汽車平台正向開發，動力電池系統與汽車底盤一體化設計，從而逐漸形成電芯、模組和系統規格尺寸標準統一的趨勢。
在全球競爭中，對岸中國動力電池單體產品的核心技術指標、規格標準方面，已經與全球先進產品差距不大。
2.2.4 地區性產業集群分析
對岸中國動力電池產業，主要分布在京津地區、華東地區、中原地區和華南地區。
京津地區產業發展較早，以中信國安盟固利、天津力神、北京國能、天津捷威、天津比克等企業為主；中原地區具備傳統的電化學產業基礎，形成了以上游材料和動力電池整個產業鏈的為主的企業集群，主要企業包括中航鋰電、多氟多、鄭州比克、河南鋰動、新太行、環宇等。
華東地區是對岸中國動力電池研發實力、產業規模、上下游產業基礎最發達的地區，以大規模市場需求，拉動了動力電池產業投資和發展，包括寧德時代、國軒高科、萬向、天能、超威、雙登等知名企業，該地區知名車企集團車用動力電池需求，帶動了市場和產業的發展。
華南地區具有一批數位產品電池企業，在此產業基礎上形成了以比亞迪、沃特瑪、雄韜電源、天勁、深圳比克、億緯鋰能、欣旺達、振華新能源、卓能新能源等，一批動力電池企業。
2.2.5 市場分析
對岸中國動力電池市場發展，呈現出乘用車電池配套量成長、高能量密度電池配套增加，行業聚集度進一步提升的特點。
根據中國化學與物理電源行業協會，動力電池應用分會的數據統計顯示，2018年度對岸中國新能源汽車動力電池配套量超過56.89GWh，同比2017年成長56.88％，前20強企業裝機量52.23GWh，佔全年裝機量的91.8％。
其中，三元電池30.1GWh，佔比58.17％，同比2017年成長103.71％；磷酸鐵鋰電池22.2GWh，佔比39％，同比2017年成長23.51％；錳酸鋰電池1.08GWh，佔比1.9％，同比2017年減少26.7％；鈦酸鋰電池0.52GWh，佔比0.91％，同比2017年減少8.99％。從各動力類型來看，純電動汽車配套的動力電池，裝機量累計約53.01GWh，同比成長55.64％；插電式混合動力汽車配套的動力電池裝機量，累計約3.82GWh，同比成長75.34％。
對岸中國動力電池產業企業優勝劣汰快速，雙雄＋多強的市場格局初步形成。2018年前十家單體企業累計配套量約470億瓦時，市場佔比約82.72％。
其中寧德時代和比亞迪配套量大幅領先，分別達234億瓦時和114億瓦時，寧德時代市場佔比由2017年的29.0％提升至2018年的41％，比亞迪市場佔比則由2017年的15.5％，提升至2018年的20.1％。根據產業政策引領方向和產業發展趨勢，對岸中國動力電池產業集中度，有望進一步提升。
表2 2018年動力電池企業配套量排名
2.2.6 重點企業分析
從動力電池配套特徵來看，動力電池行業傳統領先企業寧德時代、比亞迪、力神、國軒、孚能等產品類型，基本可以代表對岸中國產品主流類型，一是材料體系主要為三元和磷酸鐵鋰；二是高能量密度的三元電池，主要配裝乘用車，高安全性低成本的磷酸鐵鋰電池，主要應用於客車和專用車；三是除寧德時代外，其國內動力電池企業配套，仍以對岸中國整車企業為主，與日韓電池配裝，國際知名品牌汽車的規模和影響力相比仍有差距。
表3 不同企業動力電池產品類型和應用情況
3 動力電池產業化發展的路徑
隨著不同技術路線動力電池產品工程化、商業化發展，鋰離子動力電池技術，正朝著更高的能量密度、循環壽命等指標逐漸進步。
其中，正極材料採用高鎳三元材料，負極加入奈米矽形成矽碳負極材料，電解質逐漸由液態發展為固態，以實現更高的鋰電池能量密度產品與相關市場領域產業化。
3.1 高鎳三元正極材料
3.1.1 技術原理、優缺點
三元材料目前是高能量密度動力電池最優選擇。高鎳三元短期內，正在成為動力電池應用主流。三元材料結合了鎳（提升電池容量）、鈷（提高離子導電性）、錳（穩定結構）的性能優勢，是近階段高能量密度、高性能和低成本的主流產品。到2020年，對岸中國高鎳三元鋰電池產業化，能量密度指標是300Wh/kg，力爭實現350Wh/kg。
高鎳三元材料在技術方面，仍存在一定的缺點。一是高鎳三元材料的鎳比例提升，加劇鎳鋰離子混排，降低了放電比容量；二是鎳在脫嵌鋰過程中，相變導致體積變化，降低了材料結構穩定性，進而導致循環壽命下降；三是碳酸鋰等雜質，在高鎳正極材料上更易形成，高溫環境會導致脹氣，雜質與電解液發生副反應，最終導致循環壽命下降，；四是鎳含量的增加產生熱量，使得正極材料熱穩定性下降；五是高鎳三元材料表面雜質增加，電解液配方優化方案目前仍屬難題。
3.1.2 研發及產業化、主要研發企業
國際方面，松下、三星SDI、LG化學等企業高鎳三元電池已經實現量產（松下鎳鈷鋁三元材料電池配套特斯拉車型，鎳、鈷、鋁比例為8：1.5：0.5，單體電芯能量密度為300 Wh/kg）。
對岸國內方面，目前企業普遍在研發三元材料622體系、811體系技術，尚未大規模量產。寧德時代、比亞迪、力神、國軒高科等行業領先企業，在高鎳三元鋰電池研發方面已取得進展。比亞迪、中航鋰電、比克電池的正極材料，採用高鎳三元材料，負極材料選用納米硅材料體系，2020年能量密度擬提升到300Wh/kg。
寧德時代高能量密度電芯，採用高鎳三元/矽碳材料體系， 計劃2020年達300Wh/kg。國軒高科、中電力神、億緯鋰能的高能量密度電芯採用高鎳三元正極和硅基負極材料體系 ，計劃2020年達300Wh/kg。
3.2 矽碳負極材料
3.2.1 技術原理、優缺點
奈米矽與石墨形成的矽碳負極材料，能夠有效提升鋰電池的克容量，進一步實現更高的能量密度。從目前已產品化的矽碳負極材料性能來看，相比於石墨負極材料而言，矽碳負極材料最大的優勢在於比容量的提升。
矽碳負極材料的最低比容量，均都超過石墨負極材料的理論比容量。石墨的理論能量密度是372 mAh/g，矽負極的理論能量密度高達4200mAh/g。
儘管如此，矽碳負極材料目前仍存在缺點，一是矽體積在充放電的過程，產生體積膨脹100％～300％，一定程度上影響電導率。二是矽為半導體，導電性與石墨存在差距，在鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大，首次庫倫效率發生下降。
3.2.2 研發及產業化、主要研發企業
國際方面，特斯拉Model 3使用矽碳負極的動力電池，電池容量達到了550mAh/g以上，能量密度達到300Wh/kg。日本GS湯淺研發的矽基負極鋰離子電池，已應用於三菱等知名品牌汽車；日立集團麥克賽爾公司已研發出高容量矽負極鋰電池。
對岸國內方面，寧德時代、國軒高科、比亞迪、比克、力神、中航鋰電等企業，已經在矽碳負極電池研發方面取得進展。同時對岸國內負極材料生產企業，均在矽碳負極領域有所佈局，貝特瑞、紫宸等企業，已率先推出多款矽碳負極材料，已納入上述動力電池研發體系，杉杉能源已將矽碳負極材料進行產業化。矽碳新型負極材料，已成為電池和材料企業產品研發的主攻方向。
3.3 固態電解質
3.3.1 技術原理、優缺點
固態電池，是一種應用固體電極和電解質的電池。目前包括全固體鋰電池、鋰空氣電池等（金屬鋰與氧進行可逆反應）。全固態鋰電池是鋰電池的一種創新體系。
一是電芯中業態電解質含量逐漸下降，固液混合電解質逐步替代液態電解質，並最終發展成為全固態電解質。電解質主要包括兩大類，一類是有機聚合物固態電解質，一類是無機聚合物固態電解質。
其中的固態電解質，不同於傳統的鋰電池業態電解質，具有高離子電導率、高離子遷移數、機械性能好、熱穩定性好，具有良好的相容性。
固體電解質相比液態電解質穩定性好，電極材料不會溶解。更多較高電化學穩定性的固體材料電解質正在研究，未來正負極材料正朝著更高電壓、更大電流容量密度方向發展。但與此同時，固態電池的產業化發展存在成本較高，阻抗和電導率導致充電倍率偏低，以及電極與電解質界面阻抗過大等缺點。
3.3.2 研發及產業化、主要研發企業
國際方面，豐田在固態電池領域具有較長的研究歷史，其鋰硫體系電池，已在美國成功申請專利，該體系最大特點在於良好的熱穩定性和安全性，成為最具產業化發展的技術路線。
Solid Power公司則採用鋰金屬作為負極技術路線，研發更高能量密度的產品，並於寶馬公司開展產業化合作。此為，三星SDI、現代集團、日立集團、法國Bolloré、美國Sakti3等公司也在固態電池自主研發方面取得進展，力求早日實現產業化。
對岸國內方面，中科院寧波所，以鋰金屬負極和鋰硫體系為方向，研究不同電解質體系的高安全性、高倍率性固態電池。中科院青島能源與過程研究所，提出離子導電聚合物體系，該體系由高分子聚合物和鋰鹽構成，該體系對結構的力學強度有明顯提升。此外，寧德時代、中電力神、贛鋒鋰業、國能電池等對岸國內企業，已開展400Wh/kg以上高能量密度固態電池研發，和製造工藝研究，固態電池替代當前鋰電池的產業化進展，逐漸加快。
4 結論
本文從產業、市場、技術等方面，詳細分析了對岸國內鋰離子動力電池產業化的發展現狀，並從產業和技術角度，分析了中國動力電池產業化的發展趨勢，探討了中國動力電池在產業結構、發展品質、技術研發、國際發展等方面情況，最後指出中國鋰離子動力電池產業化發展的路徑。
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