劉國芳趙立金王東升

（1.中國汽車工程學會；2.中國汽車工程研究院北京分院）

動力電池是電動汽車的心臟，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市場的快速發(fā)展，動力電池市場大幅增長，動力電池技術(shù)取得突破性進展。其中，鋰離子動力電池是目前實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的動力電池產(chǎn)品中能量密度最高的電化學體系，具有較長的循環(huán)壽命，安全性不斷提高。同時，鋰離子電池已處于自動化大規(guī)模生產(chǎn)制造階段，成本不斷下降。文章重點介紹中、日、韓等國家的鋰離子動力電池發(fā)展現(xiàn)狀，分析國內(nèi)鋰離子動力電池發(fā)展存在的問題，指出鋰離子動力電池的發(fā)展趨勢。

1 國外鋰離子動力電池發(fā)展概況

日本和韓國是鋰離子動力電池的主要生產(chǎn)地國，研發(fā)和制造實力雄厚。在2016年全球動力電池產(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企業(yè)占據(jù)。隨著中國新能源汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，日、韓鋰離子動力電池在全球的市場份額在逐年下降，但日本卻一直占據(jù)著鋰離子動力電池高端市場的主導地位，其鋰離子動力電池技術(shù)也是整個動力電池行業(yè)的風向標。

日本早于2009年就研究制定了動力電池技術(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)綜合開發(fā)機構(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，明確了動力電池技術(shù)發(fā)展方向。路線圖指明，到2020年，高能量密度型動力電池比能量達到250 W·h/kg，比功率達到1 500 W/kg，

*基金項目：國家科技支撐項目（2015BAG17B03）成本約為2萬日元/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；高比功率型動力電池比能量達200 W·h/kg，比功率達2 500 W/kg，成本約為2萬日元/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，日本主要車企及動力電池企業(yè)均選擇鋰離子動力電池，且多選擇高鎳三元正極材料技術(shù)路線以實現(xiàn)高能量密度的目標。松下生產(chǎn)的鎳鈷鋁NCA18650動力電池，單體比能量達到250 W·h/kg，其與特斯拉聯(lián)合開發(fā)的新型21700動力電池已實現(xiàn)量產(chǎn)，并用于Tesla Model 3電動汽車。據(jù)特斯拉公布的數(shù)據(jù)顯示，21700動力電池單體比能量達到了300 W·h/kg，與原18650動力電池相比，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。

韓國動力電池產(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，進展迅速，建立了相對完整的鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)鏈，且產(chǎn)業(yè)集中度較高。LG化學和三星SDI為韓國最主要的動力電池企業(yè)，主要推行國際化發(fā)展戰(zhàn)略和低成本戰(zhàn)略，均在中、美、日、韓等國家建有生產(chǎn)基地，并與多個跨國整車企業(yè)建立了穩(wěn)定的供貨關(guān)系。目前，LG化學主要生產(chǎn)軟包裝三元材料動力電池，正極材料以鎳鈷錳NCM為主，負極材料以石墨和混合硬碳為主，單體比能量達到了240～250 W·h/kg。三星SDI主要生產(chǎn)方型和圓柱型三元材料動力電池，采用NMC622正極材料和石墨負極材料，方型動力電池單體比能量達到了220 W·h/kg，圓柱型18650動力電池單體比能量達到了250 W·h/kg。

2 國內(nèi)鋰離子動力電池技術(shù)發(fā)展概況

在國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的帶動下，我國鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模急劇擴大，已形成了包括關(guān)鍵原材料、動力電池、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)的完善的鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)鏈體系，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到世界領(lǐng)先。2016年我國鋰離子動力電池出貨量達到30.5 GW·h，在全球鋰離子動力電池銷售排行榜中，我國動力電池企業(yè)占據(jù)7個位次，比亞迪和寧德時代分別以7.1 GW·h和6.8 GW·h的銷量排名第2和第3，與第1松下只有很小的差距，如圖1所示。在總的鋰離子動力電池出貨量中，磷酸鐵鋰電池占比為60%多，三元材料動力電池占比為34%。磷酸鐵鋰動力電池在客車領(lǐng)域占據(jù)主導地位，三元材料動力電池在乘用車領(lǐng)域占據(jù)主導地位。隨著國內(nèi)新能源汽車補貼政策對續(xù)駛里程要求的提高和節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖中對動力電池高比能的規(guī)劃，企業(yè)迅速布局和加大對高比能量鋰離子動力電池的研發(fā)和生產(chǎn)投入，在2017年的動力電池市場中，三元材料動力電池增長趨勢明顯，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%。綜合考慮國內(nèi)原材料來源、價格等因素，未來較長一段時間，三元材料動力電池和磷酸鐵鋰動力電池2種技術(shù)路線將共存發(fā)展，但向三元材料動力電池轉(zhuǎn)化的趨勢明顯。

圖1 2016年全球動力電池企業(yè)銷量排行榜

2016年，中國汽車工程學會在工信部指導下，發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，其中，鋰離子動力電池2020年的技術(shù)目標：EV用鋰離子動力電池，單體比能量達到350 W·h/kg，系統(tǒng)比能量達到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用鋰離子動力電池，單體比能量達到200 W·h/kg，系統(tǒng)比能量達到120 W·h/kg，單體充電比功率達到1 500 W/kg，系統(tǒng)充電比功率達到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]。為實現(xiàn)鋰離子動力電池的高比能、高比功率、高安全和長循環(huán)壽命，國內(nèi)動力電池企業(yè)多選擇高鎳正極材料，石墨或硅碳負極材料，高電壓/高安全電解液、有機和/或無機涂層的聚乙烯隔膜等材料，通過電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計和輕量化設(shè)計等技術(shù)手段。

目前，國內(nèi)軟包裝磷酸鐵鋰動力電池單體比能量已提升至160 W·h/kg，系統(tǒng)比能量達到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圓柱型三元材料動力電池單體比能量提升至260W·h/kg，系統(tǒng)比能量達到180W·h/kg。單體循環(huán)壽命達到1000次，系統(tǒng)循環(huán)壽命達到800次，容量保持率均在80%以上，方型三元材料動力電池單體比能量超過230W·h/kg，能量密度超過560W·h/L，在室溫條件下，1 C充放電循環(huán)壽命超過2 000次，容量保持率仍在80%以上。HEV用鋰離子動力電池主要為三元材料動力電池，單體比能量達到160 W·h/kg，比功率達到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，實現(xiàn)了4 C快充功能。

3 國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)存在問題

雖然我國鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)全球領(lǐng)先，技術(shù)水平提升顯著，單體鋰離子動力電池與國外基本處于同一技術(shù)水平，但放眼全球，我國鋰離子動力電池產(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)在以下幾個方面：

1）高端產(chǎn)能不足，低端產(chǎn)能過剩。2016年國內(nèi)生產(chǎn)的新能源汽車產(chǎn)品共有213家動力電池配套企業(yè)，其中，國外企業(yè)4家，國內(nèi)企業(yè)209家，國內(nèi)企業(yè)的配套量占比超過99.9%，單體動力電池的總產(chǎn)能超過120 GW·h，但產(chǎn)能的綜合利用率不足50%。同時，高端電池材料仍需要進口，高端優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品處于供不應(yīng)求的局面，帶來了行業(yè)結(jié)構(gòu)性風險上升的問題。

2）單體技術(shù)水平提高，集成技術(shù)較低。動力電池系統(tǒng)設(shè)計水平不高，系統(tǒng)集成多未實現(xiàn)半自動化和自動化的連續(xù)生產(chǎn)，成組電池的兼容性較差，落后于國際先進水平。

3）關(guān)鍵裝備依賴進口，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、韓等國采用了較高的自動化裝備，自動化水平在80%以上。國內(nèi)除部分一流企業(yè)以外，多數(shù)動力電池企業(yè)的制造工藝水平較低，自動化水平低于50%，且關(guān)鍵裝備依賴進口設(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、模組連接方式、工藝技術(shù)存在差異，回收利用未完全實現(xiàn)自動化，雖國家已出臺相關(guān)支持政策及標準規(guī)范，但仍未形成規(guī)?；幕厥债a(chǎn)業(yè)鏈和成熟的回收體系，同時，回收經(jīng)濟性欠佳，也會從一定程度上影響企業(yè)研發(fā)投入力度。

4 鋰離子動力電池未來發(fā)展趨勢

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

1）產(chǎn)業(yè)集中度進一步提高。隨著鋰離子動力電池技術(shù)的不斷提升，產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，動力電池行業(yè)的市場競爭將進一步加劇，低端重復產(chǎn)能將被淘汰，具備技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢的優(yōu)質(zhì)企業(yè)在未來的市場競爭中處于越來越有利的地位，產(chǎn)業(yè)集中度將進一步提高。

2）高比能量和低成本趨勢明顯。2020年是鋰離子動力電池技術(shù)大幅提升的階段，從當前國內(nèi)外鋰離子動力電池技術(shù)發(fā)展速度來看，2020年左右，鋰離子動力電池將實現(xiàn)比能量300～350 W·h/kg，成本0.6元/W·h的目標，技術(shù)的提高和成本的降低將進一步加劇鋰離子動力電池市場的競爭。

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，目前國內(nèi)已開發(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，在新能源汽車行業(yè)高安全和高性能要求的推動下，新體系固態(tài)電池技術(shù)將逐漸趨于成熟，成為動力電池的重要技術(shù)方向。

5 結(jié)語

鋰離子動力電池是當前動力電池行業(yè)研究的熱點，在未來相當長的一段時間內(nèi)，仍是最適用的新能源汽車的動力電池。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)的進步，回收利用體系的完善，鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)的競爭將進一步加劇，鋰離子動力電池產(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，更加強有力地支撐新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，新體系固態(tài)電池技術(shù)將趨于成熟，逐漸進入示范應(yīng)用階段，為電動汽車產(chǎn)業(yè)提供更多元化的動力源。