李晨光

摘要：鋰離子電池，占據(jù)電池市場主導地位的化學電池之一;它的研究發(fā)展迅速，僅用四十余年就從理論階段進入到商業(yè)化量產階段，并通過能量密度高、循環(huán)利用性能優(yōu)異等優(yōu)勢迅速占領電池市場，成為手機、筆記本電腦、電動車等一系列中高端電子產品的首選電池。本文主要淺析鋰離子電池在全球新能源市場上的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。

關鍵詞：鋰離子電池;新能源產業(yè);發(fā)展方向

1 鋰離子電池的基本特點與發(fā)展歷程

鋰離子電池主要由正負極、電解液（或電解質）、隔膜等元素組成，它的正負極可以自由嵌入、脫嵌鋰離子Li﹢。在充電與放電期間，Li﹢在正負極之間定向運動，從而釋放與儲存電能。

鋰離子電池的發(fā)展歷程開始于1962年。在波士頓召開的電化學學會秋季會議上，來自美國軍方的Lockheed Missile and Space Co.的Chilton Jr.和Cook提出“鋰非水電解質體系”的設想[1]，這引出了鋰金屬在電池上應用的可能性，鋰電池的雛形由此開始形成;伴隨著電池正負極材料與電解質的革命性發(fā)展，1973年氟化碳鋰原電池在松下電器實現(xiàn)量產，鋰原電池第一次進入商業(yè)化階段[2]，1991年標志著電池業(yè)一次革命的第一塊商業(yè)化鋰二次電池由索尼公司推出[3]，自此鋰二次電池的商業(yè)成品正式量產化銷售，也開始在普通民眾的日常生活用品中普及開來。

2 鋰離子電池的市場現(xiàn)狀

目前，鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池與鋰離子電池作為主要的4種電化學二次電池在電池市場上發(fā)光發(fā)熱。其中鋰離子電池所具有的長時間的使用壽命、良好的循環(huán)性能、充放電穩(wěn)定、能量密度高等優(yōu)點，使得它在電子設備與新能源汽車領域廣受廠商們的青睞。

當下鋰電池的正極材料，有已經(jīng)技術成熟商業(yè)化的磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）、鈷酸鋰（LiCoO2，LCO）、鎳鈷錳三元材料等，也有正在研究的高電壓的氧化物正極、高容量的硫化物正極等。而負極材料上主要使用石墨負極，硅、鋰等則為新型負極材料的研究對象。

根據(jù)德勒的數(shù)據(jù)顯示，2017年-2020年，全球鋰離子電池需求量持續(xù)上升，年增長率達到了22.17%。2016-2020年，由于我國對新能源汽車產業(yè)出臺了一系列的扶持政策，推動電動車行業(yè)上游鋰電行業(yè)的迅猛擴張，五年間年復合增長率達到了24.3%，2020年，我國的動力電池終端需求達到了67GWh。

現(xiàn)如今，新能源行業(yè)飛速發(fā)展。作為新時代科技與環(huán)境友好的代表，鋰離子電池已經(jīng)一躍成為一顆新星，成為新能源產業(yè)中至關重要的一環(huán)。

3 鋰離子電池的未來前景

（一）全球市場上，鋰離子電池需求量穩(wěn)步上升

受益于全球節(jié)能減排趨勢及歐盟達成的碳排放協(xié)議，全球鋰離子電池市場在2018年后進入需求高速發(fā)展時期。德勒的數(shù)據(jù)顯示，2017年-2020年，全球鋰離子電池需求量持續(xù)上升，年增長率達到了22.17%。2020年，全球鋰離子電池需求量達到了279GWh

隨著電動汽車在大眾汽車市場中愈發(fā)普及，越來越多的人選擇購買新能源汽車。預計2021-2025年的電動汽車在汽車市場上的占有率增長34.4%，而到了2025年，全球鋰離子電池整體需求量將達到1223GWh。

此外，2020年歐洲成為了全球第一大新能源汽車市場和全球第二大動力電池消費市場，目前歐洲動力電池終端需求占比達到了30.4%，這將推動歐洲動力電池市場需求大幅增長。

（二）中國動力電池需求仍將保持穩(wěn)態(tài)高速增長

中國擁有全球最大的汽車消費市場和新能源汽車銷售額。2015-2020年，中國的動力電池需求量一直位居世界第一。如圖1所示，中國的新能源汽車上游產業(yè)鋰電設備行業(yè)的市場規(guī)模也在逐年穩(wěn)步擴大。目前在中國，電池終端消費需求占比已達到了44.1%。德勒預計，2021-2025年我國動力電池需求量年增長率將達到40%，2035年達到360GWh;到2025年，新能源汽車銷售量在汽車總銷售量中占比可達20%，2030年將會有一半的汽車銷量是新能源汽車。伴隨著中國政府新出臺的關于新能源汽車行業(yè)和其上下產業(yè)鏈行業(yè)的扶持政策，中國鋰離子電池行業(yè)前景依然廣闊。

（三）鋰離子電池的未來發(fā)展方向

未來，鋰離子電池需要在新能源市場上繼續(xù)放光發(fā)熱擴大規(guī)模的同時，也要不斷改進和完善當前鋰離子電池的缺點與不足，比如：①減少溫度尤其是低溫對電池的性能影響;②目前鋰離子電池的能量密度已幾乎到達瓶頸，需要各新能源廠商探索新的鋰電池正負極材料或新的鋰離子電池類型（如固態(tài)鋰電池）;③新能源車企對于電池的可靠性和安全性的高要求與目前新能源汽車所用電池的低質量相矛盾，這使得目前新能源汽車;④鋰離子電池的充電速度仍有待提升。在新能源汽車行業(yè)上：與傳統(tǒng)油車相比，電動汽車的充電速度遠遠慢于其加油速度，這導致電動汽車對于充電站、充電樁的數(shù)量需求遠大于傳統(tǒng)油車對于加油站的需求。尤其是在節(jié)假日期間出行時，高速公路上經(jīng)常出現(xiàn)電動汽車“一樁難求”，充電難、充電時間長等問題亟待解決。

此外，鋰離子電池的生產成本也需要進一步壓低，要做到與傳統(tǒng)油車相比在價格上也能更有優(yōu)勢、更能讓消費者接受。

在未來，隨著新材料和新制備工藝的使用，鋰離子電池有許多可能的發(fā)展方向。其中固態(tài)鋰離子電池是其中最符合需求，也是最具有希望的發(fā)展方向。它可以解決目前鋰離子電池關于正負極材料與電解液選用的局限性，從而有更大更多的選擇范圍[4]。

固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比，具有以下特點：

（1）固態(tài)鋰電池的安全性更高

液態(tài)鋰電池在新能源汽車上使用時，如果電池在使用過程中受到擠壓或撞擊變形，致使內部電解液泄漏，其自燃或者爆炸的概率較高，電池的可靠性與安全性難以保證。而固態(tài)鋰電池內部的固態(tài)電解質不可燃、耐高溫，使得電池本身受到撞擊或發(fā)生泄漏時，并不會發(fā)生自燃爆炸現(xiàn)象，這與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比更加可靠安全。

（2）固態(tài)鋰電池的能量密度更高

當使用固態(tài)電解質后，由于其電化學窗口較寬，電池的正負極材料與傳統(tǒng)鋰電池相比有更多種多樣的選擇：負極上除去傳統(tǒng)石墨負極，還可以使用碳復合硅基負極等;正極上可使用高鎳正極等高電壓的材料。由于正負極材料的選用范圍與傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比更加寬大，這給予了鋰電池在能量密度方向上很大的發(fā)展空間，有利于未來鋰電池的技術發(fā)展。

（3）固態(tài)鋰電池理論上還可以滿足新能源汽車的其他需求

除了安全可靠、能量密度高以外，循環(huán)利用、低污染、溫度敏感性低等因素也是各新能源廠商重點關注的對象。固態(tài)鋰電池也可以通過改變正負極電極的體積結構、材料，使用凝膠態(tài)界面等技術來滿足鋰電池耐極高溫、耐極低溫、耐穿刺擠壓、循環(huán)壽命長等各類需求。

4結語：

現(xiàn)代科學技術不斷發(fā)展創(chuàng)新，面對新時代的碳中和理念、全球節(jié)能減排趨勢等對環(huán)境友好的發(fā)展訴求，面對石油、煤礦、天然氣等不可再生能源的未來枯竭可能，污染嚴重、效率低下的傳統(tǒng)能源產業(yè)勢必要向新能源產業(yè)轉型發(fā)展;而鋰離子電池作為新能源產業(yè)中的中流砥柱，不管是普通民眾的日常生活方面，還是軍事和工業(yè)上的專業(yè)領域，它的使用量將會進一步提升。高效率、高安全性、高能密、低成本是未來鋰離子電池的主要發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]Chilton Jr，Cook J E.ln：Abstract，ECS Fall Meeting，Bos-ton，1962.90-91

[2]森田昌行，池田宏之助等編著.次時代型リチウマ二次電池.東京：エヌ.テイ？.エス，2003，5[Morita Met al eds.Next General Lithium Secondary Battery.Tokyo，2003，5[in Japanese]]

[3]黃彥瑜.鋰電池發(fā)展簡史[J].物理，2007，（08）：643-651.

[4]田桂麗.固態(tài)鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀與技術進展[J].化學工業(yè)，2018，（06）：30-35+43.