鋰離子電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1、鋰離子電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 一、文獻綜述1、前言現(xiàn)階段，日本、韓國、美國等國家引領(lǐng)鋰離子動力電池技術(shù)的發(fā)展。日本的行業(yè)技術(shù)水平具有領(lǐng)先優(yōu)勢，韓國的動力電池制造能力處于領(lǐng)先地位，美國則具有引領(lǐng)前沿的科研能力。2、國外發(fā)展現(xiàn)狀21日本211 2009年，日本政府推出了RISING計劃(創(chuàng)新型蓄電池尖端科學(xué)基礎(chǔ)研究事業(yè))和UEAD項目(汽車用下一代高性能電池系統(tǒng))，并于2013年更新了動力電池技術(shù)發(fā)展路線圖(RM2013)，具體指標有2020年電池的續(xù)航里程實現(xiàn)250350km電池系統(tǒng)總電量達到2535kWh，電池能量密度實現(xiàn)250Wh kg-1，功率密變達到1500Wkg-1，循環(huán)壽命達到100

2、0-1500次，價格成本降低到2萬日元/Wh。RM2013指明了電極材料的發(fā)展方向，正極材料要發(fā)展xLiMn03(1x)LiMO2(M=Ni，Co，Mn，0x1)、LizMSi0s、LiNiosMn1s04、LiCnP04、Li2MSOF、LiMO2(M=Ni，Co，Mn)；負極材料要發(fā)展SnCoC合金，Si基負極包括Si/C和Si0，以及Si基合金。212日本具有代表性的鋰離子動力電池企業(yè)為松下電池公司。松下是動力電池行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，作為Tesla最主要的動力電池供應(yīng)商，憑借Tesla的發(fā)展穩(wěn)居市場領(lǐng)導(dǎo)者地位，全球市場份額在20%左右。目前松下電池主要給ModelS和MndelX提供18650

3、圓柱電池，正極采用鎳鈷鋁三元材料(NCA)，負極使用硅碳復(fù)合材料，單體能量密度可達252Whkg-1，而即將使用在Mode13上的21700圓柱形電池單體能量密度更是提高到300Whkg-1是目前行業(yè)內(nèi)能量密度最高的電池。22韓國221 2011年，韓國啟動了包含鋰離子電池關(guān)鍵材料、應(yīng)用技術(shù)研究、評價及測試基礎(chǔ)設(shè)施以及下一代電池研究的二次電池技術(shù)研發(fā)項目。LG化學(xué)和三星SDI是具有代表性的韓國鋰離子動力電池企業(yè)，也是動力電池領(lǐng)域的后起之秀，兩者憑借先進技術(shù)和低價策略迅速打開市場，增速較快。LG化學(xué)動力電池正極材料主要是鎳鈷錳三元材料(NMC)；在電池包裝方面，LG化學(xué)采用疊片式軟包設(shè)計，是全球

4、公認的軟包龍頭企業(yè)。目前其能量型單體電池的能量密度為170-180Whkg-1。LG化學(xué)希望到2020年開發(fā)出能量密度為200Whkg-1電池和250Whkg-1的富鋰錳基電池。LG化學(xué)主要與通用、雷諾、福特、大眾等國際廠商合作，其中雷諾Zon和雪佛蘭Volt的暢銷更是使其動力電池市場份額提升到全球頂尖水平。222三星SDI動力電池正極材料采用三元NMC和NCA材料，負極材料為石墨，封裝形式以方形電池為主。單體電池現(xiàn)階段的能量密度在170-180Whkg-1，預(yù)計到2019年，單體電池的能量密度能到250Whkg-1。三星SDI是除松下外最主要的NCA動力電池生產(chǎn)廠家，其最大客戶是寶馬公司。2

5、3美國231美國一直在大力支持鋰離子動力電池。2013年，美國國家能源局(DOE)公布電池研發(fā)路線，要求到2022年單體電池能量密度達到350Whkg-1。為此，美國先進電池聯(lián)盟(USABC)提出的發(fā)展方向是：正極采用高壓三元材料、LiNin，Mn304材料、xLi2Mn03(lx)LiMO2材料等高電壓/高容量材料：采用Si基或Sn基材料作為負極；電解液使用阻燃電解液、5V高壓電解液以及高低溫性能更好的電解液；隔膜采用陶瓷隔膜。EnviaSysterns公司利用富鋰錳基正極材料xLi2Mn03(1x)LiMO2、石墨負極和高電壓電解液制備的單體電池能量密度達到250Whkg-1。 3國內(nèi)發(fā)展

6、現(xiàn)狀311在經(jīng)歷了“十五”計劃錳酸鋰電池的研發(fā)、“十五”計劃磷酸鐵鋰電池的推進和“十二五”計劃三元電池的提升之后，我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模開始迅猛增長，2015年已經(jīng)超過日本和韓國達到全球首位，并于2016年擴大了領(lǐng)先優(yōu)勢。近五年，電池單體能量密度提升了1倍，達到200Whkg-1，電池系統(tǒng)單位成本下降到15元水平。中國鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展得益于兩個方面：(1)國內(nèi)電動汽車市：場快速增長，(2)國內(nèi)電動汽車企業(yè)大量使用本國的電池。312 2016年，時代新能源(CATL)、比亞迪、沃特瑪、國軒高科、力神這五大巨頭占據(jù)近7成的國內(nèi)動力電池市場，市場集中度進一步提升。比亞迪的動力電池路線以磷酸

7、鐵鋰為主，正逐步涉足三元電池。產(chǎn)品外形上以方形鋁殼為主，也有部分采用軟包。比亞迪一直以來堅持磷酸鐵鋰路線，目前單體能量密度達到130Whkg-1，規(guī)劃到2020年達到200Whkg-1，基本接近理論極限。其新電池在磷酸鐵鋰電池中加人了錳元素，形成了磷酸鐵錳鋰新電池，電池能量密度提升至150Whkg-1。CATL的產(chǎn)品以方形鋁殼電池為主，正極材料包含磷酸鐵鋰和三元材料。在磷酸鐵鋰和三元電池兩條路線上，儲能和大巴因為安全、成本和產(chǎn)品實用性的考慮，主要走磷酸鐵鋰的技術(shù)路線，乘用車領(lǐng)域，2015年開始CATL全面轉(zhuǎn)向三元材料。目前，CATL在磷酸鐵鋰上可以做到單體能量密度120Whkg-1，三元電池單

8、體電芯的能量密度可實現(xiàn)250Whkg-1。沃特瑪采用復(fù)合材料作為電池E負極材料，可以實現(xiàn)電池能量密度20%左右的提升。目前沃特瑪磷酸鐵鋰電池單體能量密度可達到180200Whkg-1，電池成組后可達到100Whkg-1。國軒高科目前正處于由磷酸鐵鋰向三元轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。目前，國軒高科有三元電池產(chǎn)能2GWh、磷酸鐵鋰電池產(chǎn)能35GWh，2017年年底將分別達到3GWh與5GWh。力神目前總產(chǎn)能達到3GWh，其中動力電池產(chǎn)能為2GWh，絕大部分又為磷酸鐵鋰電池。力神在高能量密度動力電池研發(fā)方面進行了嘗試，研發(fā)出25Ah實驗電芯，01C時能量密度為310Whkg-1。313整體而言，國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)

9、存在以下幾個變化：(1)技術(shù)路線逐漸多元化；(2)補貼下降、成本上升；(3)擴產(chǎn)周期逐步拉長，(4)自動化程度已遠超預(yù)期；(5)一些車企開始拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域，如低速電動車、自行車、甚至向海外發(fā)展。4、 目的和意義持續(xù)關(guān)注中國市場的發(fā)展，提供可行性的方案。促進中國鋰離子電池更快更好的發(fā)展。能夠有效地解決我國能源短缺和傳統(tǒng)能源使用帶來的環(huán)境污染問題。新能源清潔干凈、污染物排放很少，是與人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源，新能源污染物排放很少，采用新能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護生態(tài)環(huán)境、走經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展之路的重大措施。5、 參考文獻（1）工業(yè)和信息化部，科技部，節(jié)能與新能源

10、汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。（2）工業(yè)和信息化部，發(fā)展改革委，科技部，等，促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案。（3）中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖(2015年版)，節(jié)能與新能源汽車部分。（4）楊曉嬋，日本制半導(dǎo)體制造裝置銷售預(yù)測J.現(xiàn)代材料動態(tài)。（5）李玲，國內(nèi)車用電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀大盤點J.商用汽車新聞。（6）張承寧，王再宙，宋強，基于傳聲器陣列電動汽車用電機系統(tǒng)噪聲源識別研究J.中國電機工程學(xué)報。（7）何鋒，汽車新能源于節(jié)能。（8）張彥琴，鉛酸蓄電池技術(shù)的發(fā)展J，汽車電器。（9）王俊喜，馬驪歌，電動汽車是中國汽車未來的發(fā)展方向J,企業(yè)研究。（10）陳宗璋，吳振軍，電動汽車動力源類型J,大眾用電。（11）EI

11、cctrochemicalEncrgyStoragcTechnicalTeamRoadmap.U.S.DRIVE.（12）0vervicwoftheDOEAdvancedBatteryR&DProgram.DOBsVT0、2015.（13）FiscalYcar2014AnnualProgressReportForEnergyStorage&D.U.S.D0E，2015.（14）歐陽明高，新能源汽車研發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。（15）KangK,CederG.FactorsthataffectLimobilityinlayeredlithiumtransitionmctaloxidesJ。PhysicalR

12、eviewB.2、 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）近年來，我國為了有效應(yīng)對能源危機和環(huán)境污染的挑戰(zhàn)，并實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展，大力發(fā)展了新能源汽車。鋰離子動力電池作為現(xiàn)階段新能源汽車的最優(yōu)選擇同時也是目前新能源汽車中應(yīng)用最廣泛的電池，其總體性能的提升和成本的降低是各國電池廠商競爭的主要目標。目前，國外的動力電池基本上放棄T錳酸鋰和磷酸鐵鋰路線，集中于三元路線；而國內(nèi)的電力電池主要表現(xiàn)為三元電池和磷酸鐵鋰電池兩種路線并舉。從發(fā)展情況來看，隨著國內(nèi)補貼政策對動力電池能量密度要求的提高和消費者對小型化、長續(xù)航里程需求的加強，三元電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。在動力電池產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的形勢下，無論是圓柱電池、方形電池還是軟包電池都在各自擅長的應(yīng)用領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，在封裝路線選擇上，三種電池三