目前國際主流動(dòng)力鋰電池公司重要電池類型基本為磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池。然而全固態(tài)鋰離子電池的能量密度提升潛力大，從理論上講更具可行性。全球公司紛紛布局固態(tài)電池，爭(zhēng)奪先機(jī)。

1、三元和磷酸鐵鋰離子電池為公司布局重點(diǎn)

在車用動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域，鋰離子電池已經(jīng)成為主流。目前國際主流動(dòng)力鋰電池公司重要電池類型基本為磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池。

表12017年全球前十動(dòng)力鋰電池公司重要電池類型

從我國市場(chǎng)來看，磷酸鐵鋰和三元電池當(dāng)前依然是車用動(dòng)力鋰電池的主流，2016年和2017年裝機(jī)占市場(chǎng)總量的94.5%和93.3%。

圖12016年(左)和2017年(右)我國不同材料動(dòng)力鋰電池裝機(jī)量占比23

2、磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池還有一段發(fā)展期

經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池的技術(shù)水平得到明顯提升。在成本方面，磷酸鐵鋰離子電池組價(jià)格從2017年年初的1.8-1.9元/Wh下降到年底的1.45-1.55元/Wh。三元?jiǎng)恿︿囯姵匕鼉r(jià)格從年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5元/Wh。

圖2動(dòng)力鋰離子電池電芯成本44(單位：元/Wh)

在能量密度方面，2017年底，基于NCM622材料電池單體能量密度超過200Wh/kg，系統(tǒng)能量密度160Wh/kg，2018年預(yù)計(jì)電池單體能量密度可達(dá)到230~250Wh/kg。

表2動(dòng)力鋰電池能量密度44(單位Wh/kg)

這兩種電池還有一定的提升空間，尤其是新一代材料對(duì)電池性能的提升用途，比如正極材料811、硅碳負(fù)極的研發(fā)，將會(huì)進(jìn)一步提升鋰動(dòng)力鋰電池的能量密度，單體能量密度有望達(dá)到300Wh/kg，加上這兩種電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)強(qiáng)大，在產(chǎn)業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)還將存在一按時(shí)期。

(二)固態(tài)電池成為目前布局重點(diǎn)

從技術(shù)潛力角度來看，磷酸鐵鋰體系理論能量密度約為170Wh/kg，三元鋰離子電池理論能量密度是300-350Wh/kg，同時(shí)存在熱分解溫度低、易燃燒爆炸等安全性問題，二者能量密度提升空間相對(duì)較小。然而全固態(tài)鋰離子電池的能量密度提升潛力大，從理論上講更具可行性。

1、固態(tài)鋰離子電池的潛在技術(shù)優(yōu)勢(shì)

固態(tài)鋰離子電池，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比的最大特點(diǎn)在于其使用了固態(tài)電解質(zhì)材料，當(dāng)使用的電極和電解質(zhì)材料均為固態(tài)、不含任何液態(tài)組分時(shí)，則為全固態(tài)鋰離子電池。固態(tài)電解質(zhì)改變了鋰離子電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件，帶來巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)潛力。

圖3固態(tài)鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰離子電池的技術(shù)原理示意圖

固態(tài)鋰離子電池的重要技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，一是安全性高，不含易燃易揮發(fā)有毒性的有機(jī)溶劑，不存在漏液?jiǎn)栴}，有望防止鋰枝晶的出現(xiàn)，大幅度降低電池燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。二是循環(huán)壽命長(zhǎng)，不存在液態(tài)電解質(zhì)在充放電循環(huán)過程中出現(xiàn)固體電解質(zhì)界面膜的問題，目前研發(fā)的預(yù)期壽命是15000-20000次。三是能量密度高，傳統(tǒng)鋰離子電池中隔膜和電解液體積占比40%，固態(tài)電解質(zhì)能大幅縮減電池正負(fù)極間距離，提高體積比能量，全固態(tài)鋰離子電池能量密度預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/kg。四是系統(tǒng)比能量密度高，固態(tài)電解質(zhì)無流動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，利于提升動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)成組效率和能量密度。五是正負(fù)極材料選擇范圍寬，可同時(shí)兼用金屬鋰負(fù)極和高電勢(shì)正極材料等新技術(shù)，全固態(tài)金屬鋰離子電池是未來新型電池的研發(fā)方向。除此之外，固態(tài)電池的工作溫度范圍、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬，并且具備薄膜化、柔性化的潛力。

2、全球公司紛紛布局固態(tài)電池，爭(zhēng)奪先機(jī)

由于當(dāng)前磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池自身的瓶頸，以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢(shì)，歐美、日韓、我國等國家的涉及動(dòng)力鋰電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上眾多公司正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。

圖4國內(nèi)外固態(tài)電池布局典型案例

總體上，歐美國家重要是立足于固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)業(yè)型公司，日本重要以傳統(tǒng)車企、機(jī)械公司為主的電池技術(shù)創(chuàng)新。我國的公司相對(duì)來說進(jìn)入固態(tài)鋰離子電池領(lǐng)域的時(shí)間較晚，且重要以科研機(jī)構(gòu)或院校為支撐，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。

研發(fā)方面，國內(nèi)主力為中科院的科研機(jī)構(gòu)，有一定積累并與國外基本處于同一水平，但能量密度距離理論值仍有較大的提高空間，離子導(dǎo)電率、循環(huán)壽命也亟待進(jìn)一步提升。固態(tài)鋰離子電池根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)分為三條技術(shù)路線，分別為聚合物、氧化物與硫化物固態(tài)電解質(zhì)，各科研機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)路線并不相同。其中，中科院青島能源所與中科院化學(xué)所兩家主攻聚合物固態(tài)鋰離子電池，前者的實(shí)驗(yàn)樣品能量密度達(dá)300Wh/kg，并首次完成深海測(cè)試，后者則突破了聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫下低導(dǎo)電率的瓶頸;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技術(shù)，研制的10Ah軟包電池能量密度達(dá)310-390Wh/kg，體積比能量達(dá)800-890Wh/L;中科院寧波材料所、上海硅酸鹽研究所分別聚焦于無機(jī)固態(tài)鋰離子電池和復(fù)合固態(tài)鋰離子電池的研究。

3、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)壁壘亟待突破

經(jīng)過公司與研究機(jī)構(gòu)的攻關(guān)，目前固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)得到突破，能量密度超過300Wh/kg，但基本都是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

在技術(shù)層面，固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電率、固/固界面相容性和穩(wěn)定性仍是兩大制約問題。聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電性在常溫下較低，一般要加熱至60oC以上才能正常工作，如法國Bolloré則采用聚合物電解質(zhì)與電池加熱的技術(shù)路線;硫化物電解質(zhì)的導(dǎo)電率目前與傳統(tǒng)鋰離子電池的水平相當(dāng)，但仍需突破界面相性問題，重要通過材料合成和納米層技術(shù)增大活性物質(zhì)的量、降低界面層電阻。同時(shí)，金屬鋰負(fù)極、新型復(fù)合正極材料仍在研發(fā)中，有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用，屆時(shí)能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環(huán)壽命將有巨大的突破。

在產(chǎn)業(yè)化層面，未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的困境重要在于生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)線環(huán)境。比如固態(tài)電池制備中的疊片、涂布、封裝工藝要定制化的高精度設(shè)備，并且生產(chǎn)線環(huán)境也要保持更高級(jí)別的干燥間。只有當(dāng)規(guī)模化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與產(chǎn)量的提升后，固態(tài)鋰離子電池的成本才得以下降。

整體上來看，固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)制備成熟度還亟待加強(qiáng)，規(guī)模化、自動(dòng)化的生產(chǎn)線還要進(jìn)一步研發(fā)，目前仍處于行業(yè)積累期。固態(tài)電池總體發(fā)展路徑為，受制于固/固界面穩(wěn)定性問題，液態(tài)電解質(zhì)的含量逐步減少，由液態(tài)→半固態(tài)→固液混合→固態(tài)→全固態(tài)電池過渡;在全固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展上，受制于金屬鋰負(fù)極可充性問題，負(fù)極材料將從石墨→合金化負(fù)極(如Si/C)→金屬鋰負(fù)極進(jìn)行過渡。隨著研發(fā)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)方面的發(fā)展，固態(tài)電池的性能與生產(chǎn)將逐步優(yōu)化，在動(dòng)力鋰電池市場(chǎng)迎來機(jī)遇。

(三)潛在技術(shù)的替代者依然存在

除了對(duì)當(dāng)前鋰離子電池的改善及固態(tài)電池的布局，在動(dòng)力鋰電池技術(shù)創(chuàng)新中，國內(nèi)外公司和機(jī)構(gòu)/大學(xué)紛紛進(jìn)行了不同嘗試，一些指標(biāo)較目前水平有較大改善，為動(dòng)力鋰電池性能的提升供應(yīng)了有力參考。

表3國內(nèi)外新型電池研發(fā)情況

通過對(duì)收集的典型創(chuàng)新案例技術(shù)指標(biāo)梳理，可以發(fā)現(xiàn)，目前一些產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)已經(jīng)得到提升。在能量密度方面，鋁空氣電池能量密度達(dá)到780Wh/kg，鋰硫電池達(dá)到350Wh/kg，固態(tài)電池達(dá)到360Wh/kg;在充電倍率方面，典型創(chuàng)新性產(chǎn)品最高充電倍率已經(jīng)超過100C。在循環(huán)壽命方面，典型創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)能夠超過15000次。

圖5典型創(chuàng)新產(chǎn)品能量密度(單位：Wh/kg)

圖6典型創(chuàng)新材料和產(chǎn)品充電倍率49(單位：C)

圖7典型創(chuàng)新產(chǎn)品循環(huán)壽命49(單位：次)

新型電池具備許多優(yōu)勢(shì)，一是技術(shù)方面，比如鋰硫電池利用硫作為正極材料，電池理論比能量最高可達(dá)2600Wh/kg，鋰空氣電池也是一種非常有潛力的高比容量電池技術(shù)，其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應(yīng)，理論能量密度上限達(dá)到11000Wh/kg，二是產(chǎn)業(yè)方面能夠減少對(duì)稀缺資源的依賴，比如鈉離子電池相對(duì)鋰離子電池?fù)碛袃?chǔ)量豐富且成本較低的優(yōu)勢(shì)。

但目前動(dòng)力鋰電池創(chuàng)新性產(chǎn)品一般都是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，新型電池在下一步產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，還面對(duì)許多挑戰(zhàn)。比如鋰硫電池安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉(zhuǎn)換效率低和循環(huán)次數(shù)低，短時(shí)間很難在車用領(lǐng)域得到應(yīng)用。總的來說，目前這些研究雖然處于實(shí)驗(yàn)階段，距離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)，是否能夠在一按時(shí)期替換現(xiàn)有體系電池在業(yè)界也存在爭(zhēng)議。但毫無疑問這些電池有望打破當(dāng)前動(dòng)力鋰電池的一些技術(shù)瓶頸、降低電池成本，創(chuàng)造更長(zhǎng)續(xù)航里程，在動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，這些電池不容忽視。

(四)小結(jié)

從技術(shù)發(fā)展來看，當(dāng)前三元和磷酸鐵鋰離子電池已經(jīng)主導(dǎo)了車用動(dòng)力鋰電池市場(chǎng)，三元和磷酸鐵鋰離子電池成為主流公司的重要技術(shù)路線，公司并在進(jìn)一步布局這兩種技術(shù)路線。從發(fā)展來看，三元和磷酸鐵鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)取得了突破，但是技術(shù)還有進(jìn)一步提升的空間，在產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中還將持續(xù)一段時(shí)間。

從新電池技術(shù)布局來看，固態(tài)電池具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠解決當(dāng)前產(chǎn)業(yè)面對(duì)的許多問題，國內(nèi)外公司爭(zhēng)先布局并取得了技術(shù)突破。但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，固態(tài)電池現(xiàn)處于行業(yè)積累期，還有技術(shù)和產(chǎn)業(yè)配套諸多問題亟待解決。

另一方面，除了對(duì)當(dāng)前鋰離子電池的改善及固態(tài)電池的布局，許多研究機(jī)構(gòu)也在研發(fā)鋰硫、鋰空氣電池等新一代電池，并且在某些技術(shù)方面取得突破，為電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展供應(yīng)了有利參考。但總的來說，這些研究基本處于實(shí)驗(yàn)階段，距離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)，并且在產(chǎn)業(yè)界也存在許多爭(zhēng)議，但不可否認(rèn)的是問這些電池有望打破當(dāng)前動(dòng)力鋰電池的一些瓶頸，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中仍不容忽視。

電池公司在提升現(xiàn)有技術(shù)路線產(chǎn)品性能的同時(shí)，也應(yīng)該積極布局下一代電池的研發(fā)，以便在下一輪競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主導(dǎo)權(quán)。政府部門應(yīng)該通過科技計(jì)劃(專項(xiàng)、基金)、相關(guān)創(chuàng)新工程及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)等多種途徑，鼓勵(lì)公司、研究機(jī)構(gòu)及高等院校等在動(dòng)力鋰電池關(guān)鍵材料、電池單體和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，并積極推動(dòng)固態(tài)電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等新產(chǎn)品及新材料的制備、生產(chǎn)工藝、檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)和裝備的工程化和產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈工程技術(shù)能力建設(shè)，并推動(dòng)動(dòng)力鋰電池新技術(shù)新產(chǎn)品在示范推廣工程中的應(yīng)用。