? ? ? ?最近幾年祟身，隨著馬斯克(Musk)帶領(lǐng)的特斯拉電動車（Tesla Motors）公司風(fēng)靡全球哪亿，電動汽車行業(yè)進(jìn)入到大眾視野桨醋，而這其中的關(guān)鍵技術(shù)——鋰離子電池在各國受到了前所未有的關(guān)注和支持檩电，同時涌現(xiàn)出越來越多的創(chuàng)新技術(shù)和創(chuàng)業(yè)公司拄丰。
1.? ? 鋰離子電池概況
? ? ? ?電池作為一種電能儲存裝置已有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（如鉛酸電池俐末、鎳氫電池料按、鎳鎘電池）到最近的鋰離子電池。特斯拉電動車上的電池即鋰離子電池卓箫，型號18650 （其中18表示直徑為18 mm载矿，65表示長度為65 mm，0表示為圓柱形電池）烹卒。鋰離子電池技術(shù)從上世界60年代開始研究闷盔，于1992年被日本索尼公司商業(yè)化推向市場魂挂。
2.? ? 鋰離子電池結(jié)構(gòu)和材料
? ? ? 鋰離子電池內(nèi)部主要由正極（cathode）、負(fù)極（anode）馁筐、隔膜（separator）和電解質(zhì)（electrolyte）構(gòu)成涂召。充放電過程中鋰離子通過電解質(zhì)在正負(fù)極之間擴散并嵌入或脫出活性材料而儲存電能。
四個重要技術(shù)參數(shù)：
? ? ? ?能量密度（單位質(zhì)量所含有的電量）敏沉，功率密度（單位質(zhì)量在單位時間提供的電量）果正，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)）盟迟。
? ? ? ?鋰離子電池材料主要由正極材料秋泳、負(fù)極材料、隔膜和電解液組成攒菠，此外還有電池外殼迫皱。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）辖众、磷酸鐵鋰（如比亞迪汽車采用）卓起、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凹炸，隔膜材料主要是高強度薄膜化的聚烯烴多孔膜戏阅，電解液主要采用有機鋰鹽化合物，外殼主要采用鋼殼啤它。
3.? ? 鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
? ? ? ?鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)過二十年多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一個專業(yè)化程度高奕筐、分工明晰的產(chǎn)業(yè)鏈體系。正負(fù)極材料变骡、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)离赫，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)極材料塌碌、電解液和隔膜生產(chǎn)出不同規(guī)格渊胸、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)品的不同性能誊爹、使用要求選擇不同的鋰離子電芯蹬刷、不同的電源管理系統(tǒng)方案瓢捉、不同的精密結(jié)構(gòu)件频丘、不同的制造工藝等進(jìn)行鋰離子電池模組的設(shè)計與生產(chǎn)。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用包括消費電子產(chǎn)品泡态、電動交通工具和工業(yè)儲能等搂漠。
4.? ? 鋰離子電池目前市場狀況和未來市場前景
全球鋰電池市場規(guī)模從2011年的840億元增至2015年的1755億元，年均復(fù)合增長率達(dá)到20.2 %某弦，全球鋰離子電池市場保持穩(wěn)步增長態(tài)勢桐汤。
? ? ? ?目前而克，中國、日本和韓國生產(chǎn)的鋰離子電池占全球產(chǎn)量的95 %左右怔毛，中國產(chǎn)量增長迅速且所占市場份額穩(wěn)中有升员萍。我國鋰離子電池占全球的市場份額由2011年的33 %增至2015年的48 %。我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速成長階段拣度，成為全球主要的鋰離子電池生產(chǎn)國碎绎。
? ? ? ?當(dāng)前，鋰離子電池主要應(yīng)用于小型智能產(chǎn)品中抗果，如智能手機筋帖、智能手表等，未來冤馏，鋰離子電池將會應(yīng)用于大型智能設(shè)備中日麸，如電動汽車、機器人逮光、智能家居設(shè)施等代箭，這些大型設(shè)備需要更多的鋰離子電池，更大的市場將會帶動鋰離子電池產(chǎn)業(yè)巨大發(fā)展涕刚，對鋰離子電池的需求將會呈指數(shù)級增長梢卸。未來5到10年將會是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的輝煌時期。
? ? ? ?中國企業(yè)也將從電芯制造商向上下游拓展副女。上游主要是從原材料入手蛤高，中國企業(yè)將會更多參與到上游鋰礦、石墨礦資源的收購兼并中碑幅，隔膜戴陡、電解液的生產(chǎn)技術(shù)將會轉(zhuǎn)移到中國，中國生產(chǎn)的隔膜和電解液市場份額將會大幅提升沟涨。下游恤批，中國企業(yè)將會參與到鋰離子電池模塊化設(shè)計和生產(chǎn)，并將這些技術(shù)應(yīng)用于更多的產(chǎn)品中裹赴，如電動汽車喜庞、機器人、智能家居設(shè)施等棋返。
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)3.7-3.8 V（磷酸鐵鋰為3.2 V）延都，是鎳氫、鎳鎘電池的3倍睛竣。商業(yè)化產(chǎn)品能量密度達(dá)到150 mAh/g以上晰房，已接近其理論值的約88 %，功率密度已達(dá)到160 Wh/Kg 左右（2-3倍于鎳氫電池，3-4倍于鎳鎘電池）殊者。循環(huán)壽命平均可達(dá)到500次以上与境，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰材料可以達(dá)到2000次以上猖吴。
當(dāng)前面臨的問題：
（1）鋰離子電池的能量密度仍然較低摔刁，不能滿足未來發(fā)展需要，如Model S電動車的電池板總重高達(dá)900千克（續(xù)航440公里）海蔽，約占整車質(zhì)量的43 %簸搞；
（2）鋰離子電池的功率密度不能滿足未來電動汽車動力電池的要求，如我國動力電池發(fā)展目標(biāo)是2020年達(dá)到300 Wh/kg准潭；
（3）鋰離子電池的安全性能亟待提高趁俊，如鋰離子電池起火導(dǎo)致波音787飛機停飛，以及特斯拉電動車受碰撞發(fā)生爆炸刑然。
6.? ? 技術(shù)發(fā)展趨勢及優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊
? ? ? ?目前從技術(shù)發(fā)展方向看寺擂，鋰離子電池有三大趨勢：（1）開發(fā)和使用新的高性能電極材料；（2）發(fā)展電動汽車用大容量鋰離子動力電池泼掠；（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怔软。
? ? ? ?特斯拉電動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择镇，該材料在成本上比傳統(tǒng)的鈷酸鋰正極材料大幅降低挡逼，但提高了電池的動力學(xué)性能，同等容量下顯著提高了特斯拉電動汽車的輸出功率腻豌，并且電池的使用壽命家坎、大電流充電能力（快速充電技術(shù)的一項重要指標(biāo)）也得到提高。特斯拉的中國對手比亞迪吝梅，為了降低電動汽車的成本虱疏，采用了磷酸鐵鋰正極材料，該材料能量密度有所降低苏携，但成本減少更多做瞪，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右冻。未來装蓬，應(yīng)用于載重卡車、叉車等高功率設(shè)備的動力電池將會迎來快速發(fā)展纱扭，發(fā)展鋰離子動力電池將已經(jīng)成為新能源汽車制造商的新戰(zhàn)場牍帚。日前，戴姆勒汽車公司就推出了首款名為Urban eTruck的電動卡車跪但，該款卡車重26噸履羞，最遠(yuǎn)行駛里程為200公里，在特制快速充電樁充電時間為2小時屡久，主要用于城市送貨忆首。
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)極材料主要為石墨被环，理論能量密度為372 mAh/g糙及，商業(yè)產(chǎn)品已達(dá)到360 mAh/g，繼續(xù)提高的難度非常大筛欢，開發(fā)新的高能量密度負(fù)極材料已成定局浸锨。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)隊很早就介入硅負(fù)極材料的研究版姑，在Nature柱搜、Science等高影響雜志上發(fā)表很多論文，在科研界處于領(lǐng)先水平剥险。團(tuán)隊開發(fā)的硅負(fù)極材料能量密度已超過1000 mAh/g聪蘸。同時，崔屹團(tuán)隊也致力于研究高能量密度正極材料表制，硫單質(zhì)材料因其1675 mAh/g的高能量密度而受到廣泛研究健爬，同時這種材料價格便宜，產(chǎn)業(yè)化成本低么介。崔屹團(tuán)隊開發(fā)的硫正極材料能量密度已達(dá)到1000 mAh/g以上娜遵，所設(shè)計的鋰硫電池（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300 mAh/g以上壤短。崔屹教授創(chuàng)立的Amprius公司已獲得1億美元風(fēng)險投資用于商業(yè)化硅負(fù)極材料设拟，該公司在中國南京建立了研發(fā)實驗室和試驗生產(chǎn)基地，并在無錫建有生產(chǎn)工廠久脯，已經(jīng)小批量試制出手機用鋰離子電池蒜绽。
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碳酸酯類的液態(tài)電解質(zhì)桶现，易泄露躲雅、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)用骡和。固態(tài)電解質(zhì)（solid-state electrolyte）具有安全性能好相赁、工作溫度區(qū)間廣、循環(huán)壽命長等優(yōu)點慰于。通常還具有優(yōu)異的力學(xué)性能钮科，可以很好地抑制鋰金屬電極在充放電過程中的枝晶生長，減少電池爆炸事故婆赠，提高了鋰離子電池的安全性能绵脯，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)隊在Nature蛆挫、Science等高水平雜志上發(fā)表了很多具有里程碑意義的論文赃承。麻省理工學(xué)院博士后胡啟朝從該研究團(tuán)隊出來，于2012年創(chuàng)立Solid Energy Systems公司悴侵，獲得麻省理工學(xué)院全球獨家專利使用權(quán)瞧剖，同時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可免，這種新型電池顯著提高了鋰離子電池的能量密度抓于，遠(yuǎn)超當(dāng)前電池水平。該公司應(yīng)用多項新材料發(fā)展了一種高電量的“無正極”鋰金屬電池浇借，采用鋰金屬薄膜作為負(fù)極捉撮，其厚度僅僅是傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極材料的五分之一，重量也更輕妇垢，使得新型電池的體積縮小了一半呕缭，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）修己。同時恢总，該電池采用的固態(tài)電解質(zhì)讓電池具備更強的散熱性及阻燃特性，顯著提升了安全性與持久性睬愤。這種新型電池完全兼容現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備片仿，已經(jīng)小批量試制。2015年10月1日尤辱，該公司展示了全球首款雙倍電量的可充電式手機用鋰金屬電池原型砂豌，并成功獲得超過1200萬美元的風(fēng)險投資。經(jīng)過3年多努力光督，Solid Energy從研發(fā)開始走入中試生產(chǎn)阳距，搬到了位在沃本（Woburn）的全新總部，這里擁有全國最先進(jìn)的實驗設(shè)施结借，并且比原本的地方大上10倍筐摘，可以塞得下一具波音747的機翼。他們下一步就是在今年11月推出產(chǎn)品船老，率先在能源科技領(lǐng)域立下一座新的里程碑咖熟。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)鋰離子電池將會是鋰離子電池發(fā)展的一個全新方向。近日柳畔，英國商人詹姆斯·戴森（James Dyson）成立的公司收購了固態(tài)電池企業(yè)Sakti3馍管，并表示將會投資近10億美元大量生產(chǎn)固態(tài)鋰離子電池。
