锂离子电池的现状及发展趋势

锂离子电池的现状与发展趋势新能源技术被公认为21世纪的高新技术,电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已成为全球经济发展的一个新热点。目前锂离子电池已经作为一种重要的能量源被人们大范围的使用，无论是在电子通讯领域，还是在交通运输领域等，它都担当着极为重要的角色，有着广泛的应用前景。锂离子电池是一种二次电池，是在锂电池的基础上发展起来的一种新型电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。自20世纪70年代以来，以金属锂为负极的各种高比能量锂原电池分别问世，并得以广泛应用。锂离子电池工作电压高、比能量高、容量大、自放电小、循环性好、使用寿命长、重量轻、体积小，是现代高性能电池的代表，是移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备的理想电源，并有望成为未来电动汽车、无绳电动工具等的主要动力来源之一。我国锂离子电池产业发展历史不长，但发展很快，2012年我国锂离子电池的总产量达41.8亿只。在国际锂离子电池市场上，中国、日本和韩国形成了三足鼎立的态势，但总体而言，我国锂离子电池产业在技术先进程度和市场竞争力方面和日本、韩国还有较大差距。我国锂离子电池产业的技术发展是从模仿国外成熟技术开始的，在此过程中，工艺创新是我国锂离子电池产业早期发展的主要成绩，最近几年，随着技术创新投入不断加大，我国锂离子电池产业在技术创新方面发展很快，并形成了基本的产业核心竞争力，在某些领域积累了一定的技术优势。锂离子电池材料的研究现状及发展趋势锂离子电池的主要构造有正极、负极、能传导锂离子的电解质以及把正负极隔开的隔离膜。锂离子电池的电化学性能主要取决于所用电极材料和电介质材料的结构与性能，尤其是电极材料的选择和质量直接决定着锂离子电池的特性和价格。目前锂离子电池正极材料的研究主要集中于钴酸锂、镍酸锂等，同时，一些新型正极材料（如Li-Mn-O系材料、导电高聚物）的兴起也为锂离子电池正极材料的发展注入了新的活力，寻找开发具有高电压、高比容量和良好循环性能的锂离子二次电池正极材料新体系是该领域的重要研究内容。目前，锂离子电池的正极材料仍为LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等过渡金属氧化物及其复合材料，2005-2010年，高能量密度的聚合物正极材料和有机硫化物、无机硫化物成为锂离子电池的新一代正极材料。锂离子电池的负极材料主要有碳材料、锂金属合金、金属氧化物、金属氮化物、纳米硅等，其中碳材料是目前商业应用的主要负极材料，而锂金属合金、纳米硅已成为研发热点。锂离子电池的电解质材料目前主要是用液态电解其溶剂为无水有机物，多数采用混合溶剂，如EC-DMC和PC-DMC等，LiPF6是应用最为普遍的导电盐。就锂离子电池正极材料来说，钴酸锂正极材料在今后仍然具有强劲的生命力，在目前商品化应用的锂离子电池体系中，钴酸锂电池凭借其高充电截止电压和高压实密度双重优势，仍是目前高档3C产品类电池首选电池体系；而层状LiNixCo1–x–yMnyO2正极材料不仅具有较高的能量密度，而且材料的安全性、循环稳定性、高低温性能、制备成本等性能均比较优异，在全球正极材料使用量比重逐年增加，不仅逐步替代了钴酸锂材料的部分应用，而且在新能源汽车动力电池应用中也崭露头角，是未来最有发展前景的正极材料之一。近期内锂离子电池正极材料的主流方向仍以钴酸锂和LiNixCo1–x–yMnyO2材料为主。磷酸铁锂和尖晶石型锰基材料，不仅具有较低的制备成本和资源优势，而且安全性、循环稳定性也非常突出，是目前动力电池首选正极材料尤其是LiNi0.5Mn1.5O4/Li4Ti5O12体系动力电池可实现快速充放电，是未来新能源汽车动力电池的主流方向之一。高能量密度的NCA正极材料在高档3C产品类电池和新能源汽车动力电池中占有一席之地，但是高成本、电池制作环境苛刻等因素限制了其大范围应用。磷酸铁锂、锰酸锂、NCA正极材料始终在目前正极材料架构中占有一定地位。层状富锂锰基材料是下一代产业化的正极材料中能量密度最高的，市场应用前景广阔，但是其自身结构问题造成的首次不可逆容量高、倍率性能较差等问题仍有待科研工作者进行深入研究。自从20世纪90年代锂离子电池商业化以来，炭材料一直在锂离子电池中被广泛应用，今后仍将是锂离子电池的关键基础材料。在新型炭负极方面，未来的发展将主要集中在高功率石墨类负极及非石墨类高容量炭负极，以满足未来动力和高能电池的需求。炭导电剂对电池性能具有重要影响，新型导电剂的研究将主要集中在具有高离子电导特性炭黑的开发以及与碳纳米管、石墨烯等新型炭材料复合得到的复合导电剂等方面.由于具有特殊的一维和二维的柔性结构，近几年来碳纳米管及石墨烯等新型炭材料在锂离子电池领域的研究正在世界范围内展开，碳纳米管复合导电剂已在锂离子电池领域被大量使用。碳纳米管和石墨烯复合电极材料经适当的电化学性能改进、使用过程优化后，均有望在高容量锂离子电池及锂离子动力电池领域得到广泛应用。锂离子电池市场现状及发展趋势锂离子电池市场总体上可分为消费类电子产品市场、电动交通工具市场、工业&储能应用市场这三大市场。一般称前者为3C小型锂离子电池市场，后两者为动力锂离子电池市场。锂离子电池产业发展20多年来一直集中在3C产业为主，较少应用在市场经济规模更大的储能和动力电池（瞬间需要较大电流）市场，该市场涵盖纯电动车、油电混合车、中大型UPS、太阳能、大型储能电池、电动手工具、电动摩托车、电动自行车、航空航天设备与飞机用电池等领域。主要原因之一是过去锂电池采用的钴酸锂正极材料（LiCoO2，就是现在最常见的锂离子电池）成本较高，并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高温、低温等条件等特殊环境。更重要的是，因无法满足人们对安全的绝对要求而饱受诟病。同时，钴酸锂电池也无法达到快速充电与完全避免二次污染等目的，而且，一定要设计保护电路以防止过度充电或过度放电，否则就会造成爆炸等危险，甚至出现如Sony电池爆炸导致全球品牌NB业者投下巨资回收的情况。目前全球和中国的锂离子电池销量主要还是集中在消费类电子产品市场，尽管其市场份额处于下降态势。2012年全球销售的3816.74万kWh锂离子电池中有72.28%是在消费类电子产品市场，中国市场这个比例是65.40%（锂离子电池销售总量为662.00万kWh）。全球2012年手机用锂离子电池总量为1,086.01万kWh，较2011年的1,094.20万kWh有所下降，但是在中国市场，手机用锂离子电池总量还是增长了6.30%。在中国，智能手机正在迅速取代传统的功能手机，目前绝大多数智能手机配备的电池管不了一天，这意味着即使让锂离子电池的能量密度翻番也难以满足需求，因此，今后一段时间，为消费类电子产品随时充电的移动电源市场还会快速发展。2012年全球123万kWh的移动电源锂离子电池需求，超过80%是中国制造，其中中国市场就消纳了52.20万kWh，是这个市场的领导性力量。中国的平板电脑市场也在快速、稳步发展，年增速高于全球平均水平，平板电脑销量的快速提升直接带动了锂离子电池销量的提升，2012年中国平板电脑用锂离子电池销量达到28.49万kWh，同比增长91.97%。总的来说，消费类的电子产品这个市场对锂离子电池的需求增长比较有限，这个市场的锂离子电池需求量今后几年的增长速度会维持在15%左右。由于中国企业会在智能手机、移动电源等产业上取得更快发展，因此，该市场中国企业锂离子电池的供应量未来几年大致会维持27.01%的年均复合增长率，发展速度高于全球。预测到2017年中国手机市场将消耗512.51万kWh的锂离子电池，是2012年的2.8倍。预计2017年中国笔记本电脑市场将会消耗锂离子电池220.20万kWh，是2012年的1.48倍，中国平板电脑市场将消耗266.39万kWh的锂离子电池，将首次超越笔记本电脑。工业&储能市场消费锂离子电池主要分为电动工具、移动基站电源、风光发电配套三类。2012年全球锂离子电池需求总量中，工业&储能市场消耗了467.36万kWh，占比12.25%；中国的这个市场共消耗锂离子电池73.15万kWh，比重是15.65%，要适当高于全球。我国自20世纪80年代初期开始进行锂离子电池的研发工作。在一系列国家政策的支持下，我国的锂离子电池产业有了长足的发展。根据国家统计局数据显示，到2013年，我国的锂离子电池年产量已达到近47.68亿只，已发展成为全球电池生产制造大国。在航天应用领域，目前国内空间用圆形锂离子电池的比能量约为110～140Wh/kg；在电池地面寿命试验方面，高轨卫星80％DOD，达到了15年寿命水平；低轨卫星30％DOD，已达到5年寿命水平。在电动汽车领域，万向集团为上海世博会提供了电动汽车和混合动力汽车用锂离子电池；上海汽车除了与比亚迪、上海空间电源研究所持续进行深度合作，同时还与全球锂二次电池领域居于技术领先地位的美国A123组建了合资公司，生产和销售车用动力电池系统。在电网储能技术领域，2011年2月，我国第一个兆瓦级电池储能电站——南方电网5MW级电池储能电站在深圳并网成功，该电池储能电站总容量为10MW，待其全部投产后，将成为世界上最大的锂离子电池储能电站。中国目前电动工具市场锂离子电池替代镍镉电池、镍氢电池等的速度，今后几年将会以每年10%左右的速度发展，到2017年锂离子电池的用量比将会达到90%，基本完成对其他二次电池的替代。未来一段时间中国移动基站建设的重心将由大中型基站转向小微型基站，锂离子电池正在开始取代铅酸电池：在新建基站领域，2012年使用锂离子电池的比例约2%，预计到2017年会达到100%；在老基站电源替换领域，2012年使用锂离子电池取代铅酸电池的比例约为0.11%，2017年会快速上升到50%。而今后重点建设的小微型基站的首选电源亦是锂离子电池。中国移动基站电源市场对锂离子电池的需求量在2017年将会达1,797.33万kWh，年均复合增长率将高达214.91%，是所有锂离子电池细分市场中增速最快的。在搬运机、起重机、挖掘机等工业器械市场，对锂离子电池性能和价格的需求和电动汽车市场差不多，因此，电动汽车市场的爆发会直接推动该市场爆发。据统计，2012年全球锂离子电池市场需求量共计3,816.74万kWh，同比增长43.29%；其中中国市场2012年共销售锂离子电池662.00万kWh，同比增长44.81%。中国市场的全球占比，也由2011年的17.16%略微上升至17.34%，上升的主要动力来自消费类电子产品市场。但是，后两大市场对锂离子电池需求量的增长速度明显快于前者，这种势头在未来多年的时间里只会加强而不会削弱。因此，尽管现在这两大市场的需求总量还不是很多，但所有人都认为锂离子电池的未来在动力电池市场。此外，新能源汽车是我国七大战略性新兴产业之一，动力电池作为新能源汽车的核心部件是其动力的直接来源，锂离子电池是新能源汽车动力电池发展最有前景的技术路径，锂离子动力电池的技术创新对新能源汽车产业的发展有着关键作用。总结锂离子电池具有工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、环境污染轻等优势，一经问世便取得了迅猛的发展。目前，锂离子电池已经成为手机、笔记本电脑等便携电子产品的主流电源。另一方面，在传统能源日渐枯竭与环境保护日益强化的双重压力下，能源生产和使用的方式正在发生巨大变革，如使用太阳能、风能、潮汐能等新型清洁能源。发展混合动力汽车或纯电动汽车，也对高性能储能系统提出了迫切需求。由于具有优异的综合性能，锂离子电池在电动汽车及大型储能领域将具有广阔的应用前景。针对不同应用需求，锂离子电池正朝着多元化方向发展，主要包括：(1)便携电子产品用高能量密度锂离子电池；(2)兼具高能量密度与高功率密度的锂离子动力电池；(3)储能用长寿命锂离子电池。目前没有任何一种材料能够同时满足这三方面应用的要求,如何在拥有高能量密度的同时，兼备高的功率密度与高的循环稳定性是锂离子电池材料发展的核心。随着新材料技术的发展，锂离子电池在日常使用及专业领域中的份额逐年上升，促进了锂离子电池技术的进一步发展。可以预见：1)在未来20年，为了适应