最近幾年，隨著馬斯克(Musk)帶領(lǐng)的特斯拉電動(dòng)車（TeslaMotors）公司風(fēng)靡全球，電動(dòng)汽車行業(yè)進(jìn)入到大眾視野，而這其中的關(guān)鍵技術(shù)——鋰離子電池在各國(guó)受到了前所未有的關(guān)注和支持，同時(shí)涌現(xiàn)出越來(lái)越多的創(chuàng)新技術(shù)和創(chuàng)業(yè)公司。

　　1.鋰離子電池概況

　　電池作為一種電能儲(chǔ)存裝置已有200年的發(fā)展歷史，從最初的不可充電電池（如鋅錳干電池）到可充電電池（如鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池）到最近的鋰離子電池。特斯拉電動(dòng)車上的電池即鋰離子電池，型號(hào)18650（其中18表示直徑為18mm，65表示長(zhǎng)度為65mm，0表示為圓柱形電池）。鋰離子電池技術(shù)從上世界60年代開始研究，于1992年被日本索尼公司商業(yè)化推向市場(chǎng)。

　　2.鋰離子電池結(jié)構(gòu)和材料

　　18650型鋰離子電池

　　18650型鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　鋰離子電池結(jié)構(gòu)原理圖

　　鋰離子電池內(nèi)部主要由正極（cathode）、負(fù)極（anode）、隔膜（separator）和電解質(zhì)（electrolyte）構(gòu)成。充放電過程中鋰離子通過電解質(zhì)在正負(fù)極之間擴(kuò)散并嵌入或脫出活性材料而儲(chǔ)存電能。

　　四個(gè)重要技術(shù)參數(shù)：

　　能量密度（單位質(zhì)量所含有的電量），功率密度（單位質(zhì)量在單位時(shí)間提供的電量），安全性能，循環(huán)壽命（電池容量降至額定容量的80%之前所能使用的充放電循環(huán)次數(shù)）。

　　鋰離子電池材料

　　鋰離子電池材料主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液組成，此外還有電池外殼。當(dāng)前商業(yè)化的電池材料中，正極材料主要有鈷酸鋰（如各種電子產(chǎn)品采用）、磷酸鐵鋰（如比亞迪汽車采用）、三元材料（如特斯拉汽車采用），負(fù)極材料主要有石墨材料和鈦酸鋰材料，隔膜材料主要是高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜，電解液主要采用有機(jī)鋰鹽化合物，外殼主要采用鋼殼。

　　3.鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

　　鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)圖

　　鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)過二十年多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一個(gè)專業(yè)化程度高、分工明晰的產(chǎn)業(yè)鏈體系。正負(fù)極材料、電解液和隔膜等材料廠商為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的上游企業(yè)，為鋰離子電芯廠商提供原材料。電芯廠商使用上游電芯材料廠商提供的正負(fù)極材料、電解液和隔膜生產(chǎn)出不同規(guī)格、不同容量的鋰離子電芯產(chǎn)品；模組廠商根據(jù)下游客戶產(chǎn)品的不同性能、使用要求選擇不同的鋰離子電芯、不同的電源管理系統(tǒng)方案、不同的精密結(jié)構(gòu)件、不同的制造工藝等進(jìn)行鋰離子電池模組的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用包括消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)交通工具和工業(yè)儲(chǔ)能等。

　　4.鋰離子電池目前市場(chǎng)狀況和未來(lái)市場(chǎng)前景

　　2011-2015年全球鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模

　　全球鋰電池市場(chǎng)規(guī)模從2011年的840億元增至2015年的1755億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到20.2%，全球鋰離子電池市場(chǎng)保持穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

　　2011-2015年全球鋰離子電池市場(chǎng)份額變化圖

　　目前，中國(guó)、日本和韓國(guó)生產(chǎn)的鋰離子電池占全球產(chǎn)量的95%左右，中國(guó)產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速且所占市場(chǎng)份額穩(wěn)中有升。我國(guó)鋰離子電池占全球的市場(chǎng)份額由2011年的33%增至2015年的48%。我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速成長(zhǎng)階段，成為全球主要的鋰離子電池生產(chǎn)國(guó)。

　　當(dāng)前，鋰離子電池主要應(yīng)用于小型智能產(chǎn)品中，如智能手機(jī)、智能手表等，未來(lái)，鋰離子電池將會(huì)應(yīng)用于大型智能設(shè)備中，如電動(dòng)汽車、機(jī)器人、智能家居設(shè)施等，這些大型設(shè)備需要更多的鋰離子電池，更大的市場(chǎng)將會(huì)帶動(dòng)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)巨大發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的需求將會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。未來(lái)5到10年將會(huì)是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的輝煌時(shí)期。

　　中國(guó)企業(yè)也將從電芯制造商向上下游拓展。上游主要是從原材料入手，中國(guó)企業(yè)將會(huì)更多參與到上游鋰礦、石墨礦資源的收購(gòu)兼并中，隔膜、電解液的生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)轉(zhuǎn)移到中國(guó)，中國(guó)生產(chǎn)的隔膜和電解液市場(chǎng)份額將會(huì)大幅提升。下游，中國(guó)企業(yè)將會(huì)參與到鋰離子電池模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，并將這些技術(shù)應(yīng)用于更多的產(chǎn)品中，如電動(dòng)汽車、機(jī)器人、智能家居設(shè)施等。

　　5.鋰離子電池當(dāng)前發(fā)展水平及問題

　　當(dāng)前發(fā)展水平：

　　單體鋰離子電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V（磷酸鐵鋰為3.2V），是鎳氫、鎳鎘電池的3倍。商業(yè)化產(chǎn)品能量密度達(dá)到150mAh/g以上，已接近其理論值的約88%，功率密度已達(dá)到160Wh/Kg左右（2-3倍于鎳氫電池，3-4倍于鎳鎘電池）。循環(huán)壽命平均可達(dá)到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰材料可以達(dá)到2000次以上。

　　當(dāng)前面臨的問題：

　?。?）鋰離子電池的能量密度仍然較低，不能滿足未來(lái)發(fā)展需要，如ModelS電動(dòng)車的電池板總重高達(dá)900千克（續(xù)航440公里），約占整車質(zhì)量的43%；（2）鋰離子電池的功率密度不能滿足未來(lái)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的要求，如我國(guó)動(dòng)力電池發(fā)展目標(biāo)是2020年達(dá)到300Wh/kg；（3）鋰離子電池的安全性能亟待提高，如鋰離子電池起火導(dǎo)致波音787飛機(jī)停飛，以及特斯拉電動(dòng)車受碰撞發(fā)生爆炸。

　　6.技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)

　　目前從技術(shù)發(fā)展方向看，鋰離子電池有三大趨勢(shì)：（1）開發(fā)和使用新的高性能電極材料；（2）發(fā)展電動(dòng)汽車用大容量鋰離子動(dòng)力電池；（3）進(jìn)一步降低鋰離子電池的成本和提高電池的安全性能。

　　特斯拉電動(dòng)汽車使用的是松下為其提供的鋰離子電池，該鋰離子電池采用了三元材料—鎳鈷鋁酸鋰正極材料，該材料在成本上比傳統(tǒng)的鈷酸鋰正極材料大幅降低，但提高了電池的動(dòng)力學(xué)性能，同等容量下顯著提高了特斯拉電動(dòng)汽車的輸出功率，并且電池的使用壽命、大電流充電能力（快速充電技術(shù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)）也得到提高。特斯拉的中國(guó)對(duì)手比亞迪，為了降低電動(dòng)汽車的成本，采用了磷酸鐵鋰正極材料，該材料能量密度有所降低，但成本減少更多，使用壽命約是鎳鈷鋁酸鋰材料的兩倍，安全性能更是已商業(yè)化正極材料中最好的。未來(lái)，應(yīng)用于載重卡車、叉車等高功率設(shè)備的動(dòng)力電池將會(huì)迎來(lái)快速發(fā)展，發(fā)展鋰離子動(dòng)力電池將已經(jīng)成為新能源汽車制造商的新戰(zhàn)場(chǎng)。日前，戴姆勒汽車公司就推出了首款名為UrbaneTruck的電動(dòng)卡車，該款卡車重26噸，最遠(yuǎn)行駛里程為200公里，在特制快速充電樁充電時(shí)間為2小時(shí)，主要用于城市送貨。

　　6.1.開發(fā)和使用新的高性能電極材料

　　當(dāng)前，鋰離子電池的負(fù)極材料主要為石墨，理論能量密度為372mAh/g，商業(yè)產(chǎn)品已達(dá)到360mAh/g，繼續(xù)提高的難度非常大，開發(fā)新的高能量密度負(fù)極材料已成定局。硅材料因其理論能量密度是石墨材料的24倍而受到了極大的關(guān)注和研究。

　　斯坦福大學(xué)材料系崔屹教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)很早就介入硅負(fù)極材料的研究，在Nature、Science等高影響雜志上發(fā)表很多論文，在科研界處于領(lǐng)先水平。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的硅負(fù)極材料能量密度已超過1000mAh/g。同時(shí)，崔屹團(tuán)隊(duì)也致力于研究高能量密度正極材料，硫單質(zhì)材料因其1675mAh/g的高能量密度而受到廣泛研究，同時(shí)這種材料價(jià)格便宜，產(chǎn)業(yè)化成本低。崔屹團(tuán)隊(duì)開發(fā)的硫正極材料能量密度已達(dá)到1000mAh/g以上，所設(shè)計(jì)的鋰硫電池（另一種鋰離子電池，和當(dāng)前的鋰離子電池技術(shù)類似）整體能量密度達(dá)到300mAh/g以上。崔屹教授創(chuàng)立的Amprius公司已獲得1億美元風(fēng)險(xiǎn)投資用于商業(yè)化硅負(fù)極材料，該公司在中國(guó)南京建立了研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)生產(chǎn)基地，并在無(wú)錫建有生產(chǎn)工廠，已經(jīng)小批量試制出手機(jī)用鋰離子電池。

　　6.2.提高鋰離子電池的安全性能

　　當(dāng)前，大規(guī)模商業(yè)化的鋰二次電池普遍采用有機(jī)碳酸酯類的液態(tài)電解質(zhì)，易泄露、易燃燒、易爆炸等安全問題限制了該類電解質(zhì)的進(jìn)一步應(yīng)用。固態(tài)電解質(zhì)（solid-stateelectrolyte）具有安全性能好、工作溫度區(qū)間廣、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通常還具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可以很好地抑制鋰金屬電極在充放電過程中的枝晶生長(zhǎng)，減少電池爆炸事故，提高了鋰離子電池的安全性能，具有十分重要的應(yīng)用前景。

　　麻省理工學(xué)院材料系唐納德·薩多韋教授是固態(tài)電解質(zhì)研究領(lǐng)域的權(quán)威專家，所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在Nature、Science等高水平雜志上發(fā)表了很多具有里程碑意義的論文。麻省理工學(xué)院博士后胡啟朝從該研究團(tuán)隊(duì)出來(lái)，于2012年創(chuàng)立SolidEnergySystems公司，獲得麻省理工學(xué)院全球獨(dú)家專利使用權(quán)，同時(shí)是第一家也是唯一一家與A123形成戰(zhàn)略合作伙伴的創(chuàng)業(yè)公司。該公司研制出一種新型的鋰金屬電池，這種新型電池顯著提高了鋰離子電池的能量密度，遠(yuǎn)超當(dāng)前電池水平。該公司應(yīng)用多項(xiàng)新材料發(fā)展了一種高電量的“無(wú)正極”鋰金屬電池，采用鋰金屬薄膜作為負(fù)極，其厚度僅僅是傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極材料的五分之一，重量也更輕，使得新型電池的體積縮小了一半，提升了電池的能量密度（即同等體積下，電池具有更多的電能）。同時(shí)，該電池采用的固態(tài)電解質(zhì)讓電池具備更強(qiáng)的散熱性及阻燃特性，顯著提升了安全性與持久性。這種新型電池完全兼容現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備，已經(jīng)小批量試制。2015年10月1日，該公司展示了全球首款雙倍電量的可充電式手機(jī)用鋰金屬電池原型，并成功獲得超過1200萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。經(jīng)過3年多努力，SolidEnergy從研發(fā)開始走入中試生產(chǎn)，搬到了位在沃本（Woburn）的全新總部，這里擁有全國(guó)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，并且比原本的地方大上10倍，可以塞得下一具波音747的機(jī)翼。他們下一步就是在今年11月推出產(chǎn)品，率先在能源科技領(lǐng)域立下一座新的里程碑。這種固態(tài)電解質(zhì)和鋰金屬電池完美融合形成的全固態(tài)鋰離子電池將會(huì)是鋰離子電池發(fā)展的一個(gè)全新方向。近日，英國(guó)商人詹姆斯·戴森（JamesDyson）成立的公司收購(gòu)了固態(tài)電池企業(yè)Sakti3，并表示將會(huì)投資近10億美元大量生產(chǎn)固態(tài)鋰離子電池。