1、中國國家“863”計劃專家談全球鋰離子動力電池的發(fā)展?jié)摿?月1618日日于北京京舉行的的“第十十六屆中中國電動動車輛學(xué)學(xué)術(shù)年會會暨第二二屆電動動汽車產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展展戰(zhàn)略研研討會”上上，中國國國家“8863計計劃”動動力電池池測試中中心主任任王子冬冬從市場場和技術(shù)術(shù)層面全全面分析析了全球球鋰離子子動力電電池的發(fā)發(fā)展?jié)摿α?。他指指出，全全球鋰離離子動力力電池市市場正處處于一個個重大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)型期，在在電動車車（EVV）市場場需求帶帶動下，預(yù)預(yù)計該市市場規(guī)模模在未來來5年內(nèi)內(nèi)將超過過20000億元元人民幣幣。 王子子冬首先先以日產(chǎn)產(chǎn)綠葉（LLeaff）電動動車為例例，介紹紹了鋰離離子動力力電池的的市場需需求情

2、況況。該車車將于220100年秋季季上市，并并計劃在在20110年生生產(chǎn)5萬萬輛，220122年生產(chǎn)產(chǎn)20萬萬輛。以以鋰離子子動力電電池產(chǎn)量量來看，每每輛綠葉葉的電池池容量為為24kkWh,20萬萬輛的容容量相當(dāng)當(dāng)于488億kWWh。這這是目前前全球手手機(jī)鋰離離子電池池30億億kWhh市場的的1.66倍。即即一款汽汽車就可可以完全全改變整整個市場場狀態(tài)。目目前，全全球主要要汽車制制造商都都已宣布布要大規(guī)規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)采用鋰鋰離子電電池的電電動車，而而日產(chǎn)只只是其中中一家而而已。 誘人的的行業(yè)前前景吸引引了業(yè)內(nèi)內(nèi)外大量量投資 王王子冬指指出，電電動汽車車的量產(chǎn)產(chǎn)為鋰離離子電池池產(chǎn)業(yè)帶帶來了重重要的發(fā)

3、發(fā)展機(jī)會會。按照照上述測測算，幾幾年之內(nèi)內(nèi)，鋰離離子動力力電池市市場將超超過全球球手機(jī)鋰鋰離子電電池市場場的規(guī)模模。這種種改變將將引發(fā)相相關(guān)制造造設(shè)備和和廠房的的新一輪輪投資，同同時，眾眾多新進(jìn)進(jìn)入鋰離離子動力力電池及及材料的的廠商將將使相關(guān)關(guān)領(lǐng)域的的技術(shù)競競爭更趨趨激烈。 受受到誘人人行業(yè)前前景的吸吸引，很很多來自自不同行行業(yè)的廠廠商將目目標(biāo)定位位在電動動汽車市市場，欲欲在鋰離離子動力力電池商商機(jī)中分分一杯羹羹。 例如如，索尼尼在20009年年11月月進(jìn)入了了電動汽汽車和大大容量蓄蓄電池領(lǐng)領(lǐng)域，并并表示未未來幾年年內(nèi)將在在量產(chǎn)設(shè)設(shè)施上投投資10000億億日元。三三洋電機(jī)機(jī)將在220155年前

4、投投資8000億日日元，松松下也準(zhǔn)準(zhǔn)備在220122年前投投入12230億億日元。另另外，三三菱重工工在其長長崎造船船廠也投投資了約約1000億日元元建立實實驗基地地，準(zhǔn)備備從20010年年開始年年產(chǎn)666MWhh容量的的鋰離子子動力電電池。 針針對動力力電池領(lǐng)領(lǐng)域，LLG化學(xué)學(xué)公司投投資了約約10億億美元；三星SSDI和和博世共共同成立立的SBBLiMMotiive也也投資了了6億美美元。美美國陶氏氏化學(xué)和和韓國KKokaamEnnginneerringg及其他他合作伙伙伴成立立了合資資公司，投投資6億億美元，計計劃針對對電動車車和混合合動力車車年產(chǎn)約約6萬塊塊的鋰離離子動力力電池。 據(jù)據(jù)王

5、子冬冬介紹，中中國的比比亞迪和和天津力力神計劃劃將動力力電池生生產(chǎn)容量量提升至至10億億Wh。近近期全國國在動力力電池方方面的投投資總額額約為222億美美元。 鋰離子子電池的的應(yīng)用市市場將從從手機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向電動動車及智智能電網(wǎng)網(wǎng)領(lǐng)域 王王子冬給給出的一一系列數(shù)數(shù)據(jù)表明明，電動動車市場場規(guī)模將將從20009年年的2550億日日元，激激增至220100的30000億億日元，并并將在220122年超過過便攜式式電子產(chǎn)產(chǎn)品市場場，達(dá)到到158800億億日元。220144年將達(dá)達(dá)225500億億日元。從從上述數(shù)數(shù)據(jù)可以以看出，市市場在55年內(nèi)將將增長990倍。 他他接著分分析表示示，電動動汽車中中的鋰離離子

6、電池池容量比比手機(jī)中中的高出出幾個數(shù)數(shù)量級。例例如，目目前手機(jī)機(jī)中的鋰鋰離子電電池容量量約為22-3WWh，而而單一混混合動力力車電池池組的容容量約為為1kWWh，約約為前者者的5000倍；電動車車為200kWhh，是前前者的近近1萬倍倍。 如果果鋰離子子動力電電池實現(xiàn)現(xiàn)規(guī)模化化量產(chǎn)，價價格將會會大幅下下降，預(yù)預(yù)計將在在20115年降降到約人人民幣337500元/kkWh，這這時將有有條件進(jìn)進(jìn)入鐵路路運(yùn)輸和和工業(yè)設(shè)設(shè)備領(lǐng)域域。 隨著著市場規(guī)規(guī)模進(jìn)一一步擴(kuò)大大，當(dāng)價價格降到到約人民民幣37750元元/kWWh時，鋰鋰離子充充電電池池可考慮慮作為常常備電池池儲存電電能，從從而進(jìn)入入成本敏敏感型市市

7、場。 另另外，在在太陽能能和風(fēng)能能等可再再生能源源發(fā)電領(lǐng)領(lǐng)域，大大容量鋰鋰離子電電池可儲儲存電能能，以保保證電網(wǎng)網(wǎng)穩(wěn)定供供電。而而對于這這種應(yīng)用用，目前前只有硫硫化鈉電電池一種種產(chǎn)品。 綜綜上所述述，大容容量鋰離離子電池池的應(yīng)用用相當(dāng)廣廣闊。220155年后，甚甚至可以以進(jìn)入公公共建筑筑和家庭庭。 中國國電網(wǎng)公公司也在在積極開開展100MWhh級的鋰鋰離子電電池儲能能系統(tǒng)的的試驗項項目。 提高鋰鋰離子電電池能量量密度為了滿滿足電動動車等市市場對鋰鋰離子電電池的需需求，首首先要研研發(fā)新材材料，以以提升電電池能量量密度。近近期目標(biāo)標(biāo)是1220Whh/kgg，遠(yuǎn)期期目標(biāo)是是 5000Whh/kgg。

8、 全球球各電池池廠商已已經(jīng)對陰陰正極、負(fù)負(fù)極材料料、隔膜膜與電解解質(zhì)等關(guān)關(guān)鍵元件件做出選選擇。通通常，廠廠商們選選擇的是是日本廠廠商開發(fā)發(fā)的材料料。 據(jù)王王子冬介介紹，日日立制作作所與日日立車輛輛能源于于20110年11月開發(fā)發(fā)出了插插電式混混合動力力車的鋰鋰離子動動力電池池，能量量密度為為1200Wh/kg，在在SOCC為500%時，輸輸出功率率密度為為24000W/kg。 在在開發(fā)中中，為了了提高能能量密度度，調(diào)整整了原來來電池中中的電極極活性物物質(zhì)成分分和電極極厚度。為為提高輸輸出功率率密度，將將導(dǎo)電材材料碳調(diào)調(diào)整為電電流易流流通的材材料，降降低了電電極的內(nèi)內(nèi)部電阻阻。電池池容量達(dá)達(dá)25

9、AAh，正正極采用用了錳（MMn）類類材料，負(fù)負(fù)極用的的是碳材材料。隔隔膜材料料用耐熱熱陶瓷取取代了原原來的聚聚乙烯，保保證隔膜膜在2000高溫下下不會收收縮，并并可防止止正負(fù)極極短路。同同時，模模擬分析析了電池池結(jié)構(gòu)及及振動等等，提高高了抗振振性能。并并通過調(diào)調(diào)整集電電結(jié)構(gòu)，確確保了可可靠性。 另另外，日日立最新新一代混混合動力力車鋰離離子動力力電池的的輸出功功率密度度已達(dá)445000W/kkg，為為散熱性性更好的的方形結(jié)結(jié)構(gòu)，正正極采用用錳（MMn）類類材料，負(fù)負(fù)極是非非晶碳材材料。 王王子冬表表示，目目前鋰離離子動力力電池在在車上占占用的空空間較大大，成本本很高，且且能量密密度僅為為90

10、1200Wh/kg，仍仍然無法法滿足電電動車長長距離出出行的需需要。因因此，各各電池廠廠商仍需需進(jìn)一步步改善能能量密度度、輸出出功率密密度、成成本與安安全性。希希望能在在20115年20220年開開發(fā)出能能量密度度達(dá)20003300WWh/kkg的第第二代材材料。 主要材材料體系系特點(diǎn)分分析 目目前，全全球廠商商正在研研究的主主要材料料體系包包括： 11磷酸酸鐵鋰正正極材料料的五年年定型和和一致性性工藝研研究。材材料安全全性好，壽壽命長。主主要為美美國專利利。 2 長壽壽命錳酸酸鋰材料料研究。通通過摻雜雜和生產(chǎn)產(chǎn)工藝改改進(jìn)，提提高高溫溫穩(wěn)定性性。材料料價格低低，比能能量高。目目前工藝藝技術(shù)和和

11、設(shè)備由由日本廠廠商掌握握。 3 鈦酸酸鋰材料料作負(fù)極極的研究究。提高高比能量量，降低低成本。材材料安全全性好，壽壽命長，充充放電比比功率高高。主要要為美國國專利。 44 混混合電容容電池池的結(jié)構(gòu)構(gòu)和工藝藝研究。材材料壽命命長，充充放電比比功率高高，價格格低，安安全性好好。目前前中、日日、韓均均在進(jìn)行行此項研研究，中中國已有有產(chǎn)品問問世，不不存在國國外專利利保護(hù)問問題。 圖1 電容容電池技技術(shù)的發(fā)發(fā)展王子冬冬指出，中中國廠商商可進(jìn)一一步拓展展研究其其他在安安全性、壽壽命、充充放電比比功率、價價格方面面表現(xiàn)突突出，且且沒有國國外專利利保護(hù)的的材料。 圖2 國外外某公司司高功率率鋰離子子電池性性能（

12、HHEV）圖3 20010年年德國44.5AAh高功功率電池池性能圖4 中國國20008年高高功率磷磷酸鐵鋰鋰電池試試驗結(jié)果果（1）圖5 中國國20008年高高功率磷磷酸鐵鋰鋰電池試試驗結(jié)果果（2）圖6 中國國高功率率磷酸鐵鐵鋰電池池測試結(jié)結(jié)果鋰離子電池池材料的的開發(fā)方方向鋰離子子電池的的正極、負(fù)負(fù)極、電電解液、隔隔膜及其其他元件件的特性性必須合合理搭配配平衡，才才能保證證電池整整體的高高性能。 不不同于特特定容量量普遍偏偏低的正正極材料料，硅、錫錫等許多多負(fù)極材材料的電電位可以以提供更更大的容容量，特特別是硅硅，其理理論容量量至少110倍于于目前最最常用的的負(fù)極材材料石墨墨。但鋰鋰離子的的嵌

13、入可可以導(dǎo)致致4000%的體體積變化化，結(jié)構(gòu)構(gòu)很容易易因反復(fù)復(fù)充放電電遭到破破壞，其其壽命延延長成為為一個關(guān)關(guān)鍵問題題。 研究究人員已已經(jīng)在嘗嘗試與傳傳統(tǒng)石墨墨混合以以制造空空氣間隙隙，從而而控制體體積膨脹脹到一定定程度，以以及與氧氧化硅或或其他材材料再混混合的石石墨，以以制造出出一種氧氧化硅-碳（SSiO-C）的的復(fù)合材材料。一一、兩年年內(nèi)，使使用這種種硅復(fù)合合負(fù)極材材料的電電池將首首先應(yīng)用用在手機(jī)機(jī)中。 對對于電動動車來說說，鋰離離子動力力電池組組的安全全性非常常重要。由由于負(fù)極極材料石石墨比鋰鋰的電位位低，因因而不可可避免地地會出現(xiàn)現(xiàn)鋰沉積積在負(fù)極極界面或或電解質(zhì)質(zhì)形成化化合物的的問題。

14、 東東芝為此此開發(fā)出出一種鋰鋰鈦氧化化物L(fēng)TTO（LLi4Ti5O12）的的新型負(fù)負(fù)極材料料。LTTO比鋰鋰的電位位高，可可避免上上面提到到的鋰沉沉積或與與電解質(zhì)質(zhì)界面反反應(yīng)的問問題，提提高了電電池的安安全性。不不過，LLTO的的電位比比鋰高出出約1.5V，使使用現(xiàn)有有的正極極材料時時，電池池放電電電壓將減減少至約約2.44V。其其理論電電容與石石墨相當(dāng)當(dāng)，因此此電池能能量密度度的提高高有一定定程度的的限制。 在在采用LLTO與與5V的的正極材材料，或或者采用用它與高高容量硅硅合金復(fù)復(fù)合材料料或類似似材料，以以提高電電池放電電電壓的的情況下下，電池池能量密密度很可可能至少少可以提提高到2200

15、WWh/kkg。 另另外，據(jù)據(jù)王子冬冬介紹，全全球各電電池廠商商及相關(guān)關(guān)機(jī)構(gòu)正正在加緊緊針對全全新類型型、能量量密度超超過5000Whh/kgg電池的的基礎(chǔ)研研究，如如固態(tài)電電池、鋰鋰金屬電電池、鋰鋰硫電池池、鋰空空氣電池池等，并并計劃在在20330年前前后開始始推向市市場。 圖7 鋰離離子電池池材料開開發(fā)的長長遠(yuǎn)目標(biāo)標(biāo)對于全全固態(tài)電電池，日日本大阪阪府立大大學(xué)一直直在研究究采用硫硫化物類類固態(tài)電電解質(zhì)。例例如，加加熱Lii2S-PP2S5類玻璃璃進(jìn)行結(jié)結(jié)晶化后后的電池池，其室室溫下的的離子導(dǎo)導(dǎo)電率達(dá)達(dá)到100-3S/cm以以上，與與目前液液態(tài)電解解質(zhì)的導(dǎo)導(dǎo)電率水水平相同同，而且且還可能能再提

16、高高255倍。 對對于仍用用有機(jī)溶溶劑，但但采用新新結(jié)構(gòu)以以提高能能量密度度的鋰空空氣電池池，由于于其正極極上用空空氣中的的氧作為為活性物物質(zhì)，因因此，理理論上正正極的容容量密度度是無限限的。此此外，當(dāng)當(dāng)負(fù)極使使用金屬屬鋰時，理理論容量量可比鋰鋰離子電電池高一一個數(shù)量量級。日日本產(chǎn)業(yè)業(yè)技術(shù)綜綜合研究究所與日日本學(xué)術(shù)術(shù)振興會會已開發(fā)發(fā)出這種種電池。 圖8 新結(jié)結(jié)構(gòu)的鋰鋰空氣電電池原理理示意圖圖電池的的負(fù)極采采用金屬屬鋰條，電電解液組組合用的的是含有有鋰鹽的的有機(jī)電電解液，正正極的水水性電解解液使用用堿性水水溶性凝凝膠，與與微細(xì)化化后的碳碳和低價價氧化物物催化劑劑形成正正極組合合。 該電電池放電電

17、反應(yīng)生生成的不不是固體體氧化鋰鋰（Lii2O），而而是易溶溶于水性性電解液液的氫氧氧化鋰（LLiOHH）。因因此，氧氧化鋰在在空氣電電極堆積積后，不不會導(dǎo)致致工作停停止。另另外，水水及氮等等也不會會穿過固固體電解解質(zhì)隔膜膜，因此此不會出出現(xiàn)與負(fù)負(fù)極鋰金金屬發(fā)生生反應(yīng)的的危險。在在配置充充電專用用的正極極時，還還可防止止充電導(dǎo)導(dǎo)致空氣氣電極的的腐蝕和和老化。 試試驗結(jié)果果表明，以以0.11A/gg的放電電率放電電時，放放電容量量約為990000mAhh/g，而而此前的的鋰空氣氣電池放放電容量量只有770030000mAAh/gg。 另外外，若以以水溶液液代替水水溶性凝凝膠，可可在空氣氣中以00.1AA/g