劉國(guó)芳趙立金王東升

（1.中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)；2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院北京分院）

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的心臟，是新能源能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。隨著全球新能源汽車(chē)市場(chǎng)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池市場(chǎng)大幅增長(zhǎng)，動(dòng)力電池技術(shù)取得突破性進(jìn)展。其中，鋰離子動(dòng)力電池是目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的動(dòng)力電池產(chǎn)品中能量密度最高的電化學(xué)體系，具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，安全性不斷提高。同時(shí)，鋰離子電池已處于自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)制造階段，成本不斷下降。文章重點(diǎn)介紹中、日、韓等國(guó)家的鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀，分析國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展存在的問(wèn)題，指出鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)外鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展概況

日本和韓國(guó)是鋰離子動(dòng)力電池的主要生產(chǎn)地國(guó)，研發(fā)和制造實(shí)力雄厚。在2016年全球動(dòng)力電池產(chǎn)品出貨量方面，日本的松下電池排名第1，約為7.2 GW·h，韓國(guó)的LG和三星SDI分別排名第5位和第9位，出貨量分別約為2.5 GW·h和1.1 GW·h，前10名中的其他位次則均由中國(guó)企業(yè)占據(jù)。隨著中國(guó)新能源汽車(chē)及動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，日、韓鋰離子動(dòng)力電池在全球的市場(chǎng)份額在逐年下降，但日本卻一直占據(jù)著鋰離子動(dòng)力電池高端市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，其鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)也是整個(gè)動(dòng)力電池行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。

日本早于2009年就研究制定了動(dòng)力電池技術(shù)路線圖，并隨著產(chǎn)業(yè)的調(diào)整和技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行多次修訂，最終形成了《NEDO（日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)）二次電池技術(shù)研發(fā)路線圖2013》[1]，該路線圖以能量密度、比功率、成本、壽命為指標(biāo)，明確了動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展方向。路線圖指明，到2020年，高能量密度型動(dòng)力電池比能量達(dá)到250 W·h/kg，比功率達(dá)到1 500 W/kg，

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2015BAG17B03）成本約為2萬(wàn)日元/kW·h（約人民幣1.2元/W·h），日歷壽命10～15年，循環(huán)壽命1 000～1 500次；高比功率型動(dòng)力電池比能量達(dá)200 W·h/kg，比功率達(dá)2 500 W/kg，成本約為2萬(wàn)日元/kW·h（約人民幣1.2元/W·h），日歷壽命10～15年，循環(huán)壽命4 000～6 000次[2]。目前，除豐田保留鎳氫電池以外，日本主要車(chē)企及動(dòng)力電池企業(yè)均選擇鋰離子動(dòng)力電池，且多選擇高鎳三元正極材料技術(shù)路線以實(shí)現(xiàn)高能量密度的目標(biāo)。松下生產(chǎn)的鎳鈷鋁NCA18650動(dòng)力電池，單體比能量達(dá)到250 W·h/kg，其與特斯拉聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新型21700動(dòng)力電池已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并用于Tesla Model 3電動(dòng)汽車(chē)。據(jù)特斯拉公布的數(shù)據(jù)顯示，21700動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到了300 W·h/kg，與原18650動(dòng)力電池相比，單體比能量提升了20%以上，單體容量提升了35%，系統(tǒng)成本降低10%左右。

韓國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)較日本起步晚，但其在基礎(chǔ)研發(fā)、原材料、生產(chǎn)裝備及電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)等方面的投入巨大，進(jìn)展迅速，建立了相對(duì)完整的鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈，且產(chǎn)業(yè)集中度較高。LG化學(xué)和三星SDI為韓國(guó)最主要的動(dòng)力電池企業(yè)，主要推行國(guó)際化發(fā)展戰(zhàn)略和低成本戰(zhàn)略，均在中、美、日、韓等國(guó)家建有生產(chǎn)基地，并與多個(gè)跨國(guó)整車(chē)企業(yè)建立了穩(wěn)定的供貨關(guān)系。目前，LG化學(xué)主要生產(chǎn)軟包裝三元材料動(dòng)力電池，正極材料以鎳鈷錳NCM為主，負(fù)極材料以石墨和混合硬碳為主，單體比能量達(dá)到了240～250 W·h/kg。三星SDI主要生產(chǎn)方型和圓柱型三元材料動(dòng)力電池，采用NMC622正極材料和石墨負(fù)極材料，方型動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到了220 W·h/kg，圓柱型18650動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到了250 W·h/kg。

2 國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展概況

在國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)下，我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模急劇擴(kuò)大，已形成了包括關(guān)鍵原材料、動(dòng)力電池、系統(tǒng)集成、示范應(yīng)用、回收利用、生產(chǎn)裝備、基礎(chǔ)研發(fā)等在內(nèi)的完善的鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈體系，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到世界領(lǐng)先。2016年我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池出貨量達(dá)到30.5 GW·h，在全球鋰離子動(dòng)力電池銷(xiāo)售排行榜中，我國(guó)動(dòng)力電池企業(yè)占據(jù)7個(gè)位次，比亞迪和寧德時(shí)代分別以7.1 GW·h和6.8 GW·h的銷(xiāo)量排名第2和第3，與第1松下只有很小的差距，如圖1所示。在總的鋰離子動(dòng)力電池出貨量中，磷酸鐵鋰電池占比為60%多，三元材料動(dòng)力電池占比為34%。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在客車(chē)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，三元材料動(dòng)力電池在乘用車(chē)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策對(duì)續(xù)駛里程要求的提高和節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖中對(duì)動(dòng)力電池高比能的規(guī)劃，企業(yè)迅速布局和加大對(duì)高比能量鋰離子動(dòng)力電池的研發(fā)和生產(chǎn)投入，在2017年的動(dòng)力電池市場(chǎng)中，三元材料動(dòng)力電池增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，2017年上半年，三元材料電池占比提高至60.5%，磷酸鐵鋰電池占比約為38.08%。綜合考慮國(guó)內(nèi)原材料來(lái)源、價(jià)格等因素，未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間，三元材料動(dòng)力電池和磷酸鐵鋰動(dòng)力電池2種技術(shù)路線將共存發(fā)展，但向三元材料動(dòng)力電池轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)明顯。

圖1 2016年全球動(dòng)力電池企業(yè)銷(xiāo)量排行榜

2016年，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)在工信部指導(dǎo)下，發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》，其中，鋰離子動(dòng)力電池2020年的技術(shù)目標(biāo)：EV用鋰離子動(dòng)力電池，單體比能量達(dá)到350 W·h/kg，系統(tǒng)比能量達(dá)到250 W·h/kg，單體成本為0.6元/kW·h，系統(tǒng)成本為1.0元/kW·h，單體壽命4 000次/10年，系統(tǒng)壽命3 000次/10年；PHEV用鋰離子動(dòng)力電池，單體比能量達(dá)到200 W·h/kg，系統(tǒng)比能量達(dá)到120 W·h/kg，單體充電比功率達(dá)到1 500 W/kg，系統(tǒng)充電比功率達(dá)到900 W/kg，單體成本為1.0元/kW·h，系統(tǒng)成本為1.5元/kW·h，系統(tǒng)壽命3 000次/10年[3]。為實(shí)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池的高比能、高比功率、高安全和長(zhǎng)循環(huán)壽命，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)多選擇高鎳正極材料，石墨或硅碳負(fù)極材料，高電壓/高安全電解液、有機(jī)和/或無(wú)機(jī)涂層的聚乙烯隔膜等材料，通過(guò)電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)等技術(shù)手段。

目前，國(guó)內(nèi)軟包裝磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體比能量已提升至160 W·h/kg，系統(tǒng)比能量達(dá)到125 W·h/kg，在常溫條件下，1 C充放電循環(huán)3 000次后，仍具有80%的容量保持率。18650圓柱型三元材料動(dòng)力電池單體比能量提升至260W·h/kg，系統(tǒng)比能量達(dá)到180W·h/kg。單體循環(huán)壽命達(dá)到1000次，系統(tǒng)循環(huán)壽命達(dá)到800次，容量保持率均在80%以上，方型三元材料動(dòng)力電池單體比能量超過(guò)230W·h/kg，能量密度超過(guò)560W·h/L，在室溫條件下，1 C充放電循環(huán)壽命超過(guò)2 000次，容量保持率仍在80%以上。HEV用鋰離子動(dòng)力電池主要為三元材料動(dòng)力電池，單體比能量達(dá)到160 W·h/kg，比功率達(dá)到1 800 W/kg，在常溫條件下，1 C充放電循環(huán)壽命從3 000次/5年大幅提升到5 000次/8年，實(shí)現(xiàn)了4 C快充功能。

3 國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)存在問(wèn)題

雖然我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)全球領(lǐng)先，技術(shù)水平提升顯著，單體鋰離子動(dòng)力電池與國(guó)外基本處于同一技術(shù)水平，但放眼全球，我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)集成、精密制造、回收利用等方面仍然存在不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）高端產(chǎn)能不足，低端產(chǎn)能過(guò)剩。2016年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的新能源汽車(chē)產(chǎn)品共有213家動(dòng)力電池配套企業(yè)，其中，國(guó)外企業(yè)4家，國(guó)內(nèi)企業(yè)209家，國(guó)內(nèi)企業(yè)的配套量占比超過(guò)99.9%，單體動(dòng)力電池的總產(chǎn)能超過(guò)120 GW·h，但產(chǎn)能的綜合利用率不足50%。同時(shí)，高端電池材料仍需要進(jìn)口，高端優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品處于供不應(yīng)求的局面，帶來(lái)了行業(yè)結(jié)構(gòu)性風(fēng)險(xiǎn)上升的問(wèn)題。

2）單體技術(shù)水平提高，集成技術(shù)較低。動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平不高，系統(tǒng)集成多未實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化和自動(dòng)化的連續(xù)生產(chǎn)，成組電池的兼容性較差，落后于國(guó)際先進(jìn)水平。

3）關(guān)鍵裝備依賴(lài)進(jìn)口，制造水平仍待提高。制造工藝和生產(chǎn)設(shè)備是決定電池性能的重要因素。日、韓等國(guó)采用了較高的自動(dòng)化裝備，自動(dòng)化水平在80%以上。國(guó)內(nèi)除部分一流企業(yè)以外，多數(shù)動(dòng)力電池企業(yè)的制造工藝水平較低，自動(dòng)化水平低于50%，且關(guān)鍵裝備依賴(lài)進(jìn)口設(shè)備，自主研發(fā)裝備精度低，影響產(chǎn)品一致性。

4）電池回收利用體系不完善。因電池系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模組連接方式、工藝技術(shù)存在差異，回收利用未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，雖國(guó)家已出臺(tái)相關(guān)支持政策及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但仍未形成規(guī)模化的回收產(chǎn)業(yè)鏈和成熟的回收體系，同時(shí)，回收經(jīng)濟(jì)性欠佳，也會(huì)從一定程度上影響企業(yè)研發(fā)投入力度。

4 鋰離子動(dòng)力電池未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

分析國(guó)內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

1）產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高。隨著鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)的不斷提升，產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，動(dòng)力電池行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將進(jìn)一步加劇，低端重復(fù)產(chǎn)能將被淘汰，具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)的優(yōu)質(zhì)企業(yè)在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于越來(lái)越有利的地位，產(chǎn)業(yè)集中度將進(jìn)一步提高。

2）高比能量和低成本趨勢(shì)明顯。2020年是鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)大幅提升的階段，從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展速度來(lái)看，2020年左右，鋰離子動(dòng)力電池將實(shí)現(xiàn)比能量300～350 W·h/kg，成本0.6元/W·h的目標(biāo)，技術(shù)的提高和成本的降低將進(jìn)一步加劇鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。

3）新體系固態(tài)電池快速發(fā)展。固態(tài)電池在安全性、高比能等方面具有較大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出了單體比能量為250～300 W·h/kg的固態(tài)鋰離子電池、300～400 W·h/kg的固態(tài)金屬鋰電池和570 W·h/kg的鋰硫電池，在新能源汽車(chē)行業(yè)高安全和高性能要求的推動(dòng)下，新體系固態(tài)電池技術(shù)將逐漸趨于成熟，成為動(dòng)力電池的重要技術(shù)方向。

5 結(jié)語(yǔ)

鋰離子動(dòng)力電池是當(dāng)前動(dòng)力電池行業(yè)研究的熱點(diǎn)，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，仍是最適用的新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，材料技術(shù)和制造技術(shù)的進(jìn)步，回收利用體系的完善，鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將進(jìn)一步加劇，鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)品在比能量、安全性及循環(huán)壽命方面的性能將不斷提高，更加強(qiáng)有力地支撐新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，新體系固態(tài)電池技術(shù)將趨于成熟，逐漸進(jìn)入示范應(yīng)用階段，為電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)提供更多元化的動(dòng)力源。