國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池技術(shù)研究概況

車(chē)用動(dòng)力電池技術(shù)是制約電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的瓶頸技術(shù)，隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程逐步深入，各國(guó)及重點(diǎn)企業(yè)均加大力度發(fā)展動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)，基于新材料和結(jié)構(gòu)的高比能動(dòng)力電池技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，大力提升目前車(chē)用動(dòng)力電池安全性、壽命、低溫特性，降低成本是產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。

在美國(guó)、日本、歐盟、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家科技規(guī)劃以及重點(diǎn)企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃中多次提及新體系結(jié)構(gòu)車(chē)用動(dòng)力電池技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注高性能電池材料、高性能鋰離子動(dòng)力電池（致力于壽命、能量密度和安全性提升）、高性能電池包、電池管理系統(tǒng)、熱管理、電池標(biāo)準(zhǔn)體系、下一代鋰離子動(dòng)力電池、鋰金屬電池、電池梯級(jí)利用及回收技術(shù)、電池生產(chǎn)制造技術(shù)及裝備等。

日本政府機(jī)構(gòu)NEDO自上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)鋰離子電池的研發(fā)給予長(zhǎng)期穩(wěn)定的支持，制定了動(dòng)力蓄電池研發(fā)路線(xiàn)圖和行動(dòng)計(jì)劃，著重對(duì)鋰離子動(dòng)力蓄電池單體、模塊、標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)及關(guān)鍵原材料進(jìn)行研發(fā)攻關(guān)。其中涉及動(dòng)力電池的項(xiàng)目主要是下一代電池科技創(chuàng)新研發(fā)倡議（RISING項(xiàng)目）及下一代汽車(chē)用高性能電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)（Li-EAD項(xiàng)目），并安排210億日元資金用于項(xiàng)目“新一代電池科學(xué)創(chuàng)新研發(fā)倡議”（2009~2015年）的研發(fā)工作，主要目標(biāo)是電池反應(yīng)機(jī)理分析，指導(dǎo)開(kāi)發(fā)新型鋰離子電池用材料以及后鋰離子電池用新材料等，此項(xiàng)目包括24個(gè)子課題，其中9個(gè)為電解質(zhì)項(xiàng)目（4個(gè)固體電解質(zhì)、3個(gè)離子液體、2個(gè)液體電解質(zhì)），6個(gè)高能量密度正極項(xiàng)目，3個(gè)高容量負(fù)極項(xiàng)目，6個(gè)鋰離子電池項(xiàng)目（包括安全性、高能量、高功率等）。 此外還另?yè)?10億日元專(zhuān)門(mén)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)用電池，110億日元發(fā)展電網(wǎng)調(diào)峰用儲(chǔ)能電池。為了發(fā)展下一代純電動(dòng)汽車(chē)，他們?cè)?008年提出了到2015年能量型鋰離子電池能量密度達(dá)到200 Wh/kg, 2030年達(dá)到 500 Wh/kg，之后達(dá)到 700 Wh/kg的雄心勃勃的目標(biāo)，參見(jiàn)圖2- 1。2012年，日本政府推出“蓄電池戰(zhàn)略”，以提高電池比能量為提升競(jìng)爭(zhēng)力的核心，計(jì)劃在2020年日本車(chē)用動(dòng)力電池能夠占據(jù)全球市場(chǎng)份額50%。

圖2- 1日本動(dòng)力蓄電池研發(fā)路線(xiàn)圖

      摘自2008年10月1日Yamauchi在日本文部省闡述的報(bào)告“Role of policy interventions for research, development and deployment of new transport technologie -Existing and future policies and measures in Japan”。

動(dòng)力電池的研發(fā)面臨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，目前鋰離子電池的生產(chǎn)制造日、韓、中占據(jù)了全世界超過(guò)98%的比例。韓國(guó)從2012年開(kāi)始已超過(guò)日本。而日本在鋰離子電池的研發(fā)方面一直處于世界領(lǐng)先的地位。韓國(guó)政府為提升零部件及材料制造商的競(jìng)爭(zhēng)力，制定了全面的措施。在2010年8月啟動(dòng)了世界關(guān)鍵材料項(xiàng)目（world premier material，WPM）。三星SDI承擔(dān)了高能量二次電池用電極材料的研究項(xiàng)目，執(zhí)行周期為2010~2018年，總經(jīng)費(fèi)預(yù)算為1億美元； 在2011年啟動(dòng)引導(dǎo)綠色社會(huì)的二次電池技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，執(zhí)行周期為2011~2017年，總經(jīng)費(fèi)預(yù)算為2億美元，包括鋰離子電池關(guān)鍵材料、應(yīng)用技術(shù)研究（針對(duì)儲(chǔ)能和純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域）、評(píng)價(jià)及測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施和下一代電池研究（2020電池計(jì)劃）。

美國(guó)制定了動(dòng)力蓄電池研發(fā)路線(xiàn)，包括由金屬鋰、硅合金等材料作為負(fù)極，高電壓材料、空氣、硫作為正極的新體系結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池，以及非鋰體系動(dòng)力電池等。美國(guó)能源部宣布5年投資約1.2億美元建設(shè)電池與儲(chǔ)能能源創(chuàng)新中心。中心的作用是開(kāi)發(fā)全新的科學(xué)方法，包括探索交通和公共規(guī)模儲(chǔ)能的新材料、設(shè)備、系統(tǒng)以及新方法；鼓勵(lì)新的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作，擴(kuò)展原型器件來(lái)驗(yàn)證電化學(xué)儲(chǔ)存的全新方法，克服當(dāng)前的制造限制，通過(guò)創(chuàng)新來(lái)降低復(fù)雜性和成本。2013年，美國(guó)3大汽車(chē)制造商(通用、福特、克萊斯勒)聯(lián)合成立跨企業(yè)研究小組，加速研發(fā)下一代混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池技術(shù)。美國(guó)奧巴馬總統(tǒng)倡導(dǎo)大力發(fā)展插入式混合動(dòng)力車(chē)。為了加速能源基礎(chǔ)研究，于2009年新建了44個(gè)能源前沿研究中心，其中5個(gè)為儲(chǔ)能電池研究中心，每個(gè)中心投入1000-2000萬(wàn)美元，為期5年。這些研究中心，非常類(lèi)似我國(guó)的973項(xiàng)目，為項(xiàng)目引導(dǎo)的虛擬研究中心，中心內(nèi)部由多家單位組成。這5個(gè)研究中心的負(fù)責(zé)人、承研單位均從基礎(chǔ)研究做起，研究電池材料與反應(yīng)。除此之外，美國(guó)DOE還通過(guò)BATT、ATD、APER-E以及EIH對(duì)動(dòng)力電池的研發(fā)給予大力支持，特別是EIH，由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭，總投資1.2億美元，計(jì)劃在未來(lái)5年，將動(dòng)力電池成本降低到現(xiàn)有水平的1/5， 能量密度提高到500Wh/kg。雖然這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)普遍存在質(zhì)疑，但如此巨額的投入，必將會(huì)促進(jìn)高能量密度動(dòng)力電池的研發(fā)。相對(duì)于日本在鋰離子電池工業(yè)上的投入，美國(guó)起步雖晚，但是鋰離子電池的科學(xué)研究基礎(chǔ)歷史較長(zhǎng)，實(shí)力雄厚，擁有世界上最先進(jìn)的表征與理論計(jì)算平臺(tái)，而且正極材料中的LiCoO2, LiFePO4由Goodenough提出，最近的富鋰相正極材料的發(fā)展Argonne實(shí)驗(yàn)室也做出了重要貢獻(xiàn)。此外，政府出巨資支持汽車(chē)產(chǎn)業(yè)向電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，并大力資助電池企業(yè)本土化。同時(shí)韓國(guó)、德國(guó)、法國(guó)也都投巨資大力發(fā)展鋰離子電池技術(shù)。參見(jiàn)圖2- 2。

圖2- 2世界各國(guó)動(dòng)力電池主要研發(fā)計(jì)劃

我國(guó)科技部在 “十五”、“十一五”及“十二五”期間持續(xù)將電動(dòng)汽車(chē)等新能源汽車(chē)列入國(guó)家863計(jì)劃，確立了以混合電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)為“三縱”，以多能源動(dòng)力總成控制（電控）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力蓄電池及燃料電池等關(guān)鍵零部件為“三橫”的研發(fā)布局，持續(xù)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，同時(shí)積極推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)及關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)布局和能力建設(shè)。從“十五”開(kāi)始，車(chē)用動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)取得明顯進(jìn)步，在高電壓正極材料和硅負(fù)極材料等方面保持與國(guó)際同步的研究水平，能量型鋰離子電池能量密度達(dá)到160Wh/kg，功率型新型鋰離子電池功率密度達(dá)到3000W/kg。自主研發(fā)出用于混合電動(dòng)汽車(chē)的高功率型動(dòng)力電池和用于純電動(dòng)汽車(chē)的高能量型動(dòng)力電池，在奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)電動(dòng)汽車(chē)示范應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，目前正在城市公交大巴車(chē)、私人購(gòu)買(mǎi)的乘用車(chē)等領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用。我國(guó)動(dòng)力蓄電池技術(shù)水平的迅猛發(fā)展得到國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注和認(rèn)可。

目前中國(guó)在下一代電池研發(fā)上面臨的形式十分嚴(yán)峻。此輪競(jìng)賽的關(guān)鍵是掌握先進(jìn)材料、電池體系、電池及系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)。如果沒(méi)有合理的布局，扎實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，難以想象我國(guó)能僅靠廉價(jià)的勞動(dòng)力與原料在今后的電池產(chǎn)業(yè)占得優(yōu)勢(shì)地位。而高能量密度鋰離子電池以及下一代電池技術(shù)研究難度較大，迫切需要國(guó)家組織優(yōu)勢(shì)力量，集中攻關(guān)，促進(jìn)關(guān)鍵的原始創(chuàng)新，解決瓶頸技術(shù)，獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以便處于優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)地位。

隨著鋰電池成為熱點(diǎn)，電池材料企業(yè)數(shù)量持續(xù)增加，產(chǎn)能過(guò)剩，技術(shù)同質(zhì)化，成本透明化，進(jìn)入激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)階段，特別是正極材料生產(chǎn)企業(yè)利潤(rùn)急劇下滑，經(jīng)營(yíng)困難。國(guó)際上正極材料生產(chǎn)主要集中于少數(shù)幾個(gè)大廠(chǎng)，投入大，研發(fā)和生產(chǎn)條件好，技術(shù)水平高，生產(chǎn)規(guī)模大，品質(zhì)穩(wěn)定。國(guó)際化工巨頭正投入巨資研發(fā)電池新材料，如德國(guó)巴斯夫投入數(shù)億歐元開(kāi)發(fā)高容量層狀氧化物正極材料，投入數(shù)億歐元，美國(guó)能源部給予巨額補(bǔ)貼，陶氏化學(xué)，Umicore等莫不如此。國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)投入不足，主要集中于生產(chǎn)低端材料，企業(yè)普遍存在工藝控制不好，批次穩(wěn)定性差，導(dǎo)致電池制造工藝控制復(fù)雜，成品率低。真正能滿(mǎn)足高端電子產(chǎn)品和車(chē)用動(dòng)力電池的三元材料、磷酸鐵鋰和錳酸鋰產(chǎn)量較少，如日本的錳酸鋰材料，常溫下循環(huán)壽命能夠達(dá)到2000～2500次（80%），高溫55oC的循環(huán)壽命達(dá)到500～800次（80%），而國(guó)內(nèi)的大多數(shù)錳酸鋰材料，常溫循環(huán)壽命大約在1200～1500次，高溫循環(huán)壽命只有300～400次。

負(fù)極材料用天然石墨的資源已瓜分完畢，我國(guó)已經(jīng)成為石墨負(fù)極材料的主要供應(yīng)國(guó)，但需要針對(duì)車(chē)用動(dòng)力電池的需求開(kāi)發(fā)具備大電流充電性能的小粒徑石墨負(fù)極材料，滿(mǎn)足HEV和PHEV電池需求的無(wú)序炭（軟、硬炭）類(lèi)負(fù)極材料和高容量硅碳復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)尚處于研發(fā)階段，未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

國(guó)產(chǎn)電解液產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到與國(guó)際先進(jìn)水平相媲美的地位，同時(shí)關(guān)鍵材料六氟磷酸鋰也逐步國(guó)產(chǎn)化。但由于LiPF6熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差，對(duì)進(jìn)一步提高動(dòng)力和儲(chǔ)能電池的安全性能和循環(huán)性能等有著重要的阻礙作用，因此，研究開(kāi)發(fā)新型電解質(zhì)鋰鹽及功能添加劑已經(jīng)成為近年來(lái)鋰離子電池電解液領(lǐng)域發(fā)展的主要方向，雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）具有穩(wěn)定性高、低溫性能優(yōu)異、環(huán)境更友好等明顯優(yōu)點(diǎn)，需要重點(diǎn)發(fā)展。另外，提升壽命和電池安全性能的功能添加劑也需要加強(qiáng)研發(fā)。

但是與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比，國(guó)內(nèi)鋰離子電池隔膜的總體技術(shù)水平還存在不少差距，尤其是高端的動(dòng)力電池隔膜方面。差距主要在于隔膜的厚度、強(qiáng)度、孔隙率等各項(xiàng)性能指標(biāo)得不到整體兼顧，且量產(chǎn)批次穩(wěn)定性較差，不適用于對(duì)一致性和均一性要求極高的高端產(chǎn)品，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)絕多數(shù)鋰電廠(chǎng)家尚都選用進(jìn)口隔膜。因此，研究開(kāi)發(fā)低成本、安全性能高、穩(wěn)定性強(qiáng)能滿(mǎn)足動(dòng)力應(yīng)用要求的隔膜對(duì)于提高電池性能和降低電池成本具有重要的實(shí)際意義，此外，還需要支持耐高溫聚酰亞胺隔膜等新型隔膜的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)。