深度解讀：鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路徑研究

1 動力電池基本概念

1．1 定義

動力電池是指在汽車上配置使用的、能夠儲存電能并可再充電的、為驅(qū)動汽車行駛提供能量的裝置，包括鋰離子動力電池、金屬氫化物鎳動力電池和超級電容器等，不包括鉛酸類電池。目前我國新能源汽車動力電池應(yīng)用以鋰離子動力電池系統(tǒng)為主。由于動力電池在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵性，動力電池被比作新能源汽車的心臟。

1．2 分類

1．2．1 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用動力電池

目前，全球新能源汽車的電池主流應(yīng)用類型為鋰離子電池。按照正極材料體系區(qū)別，目前市場應(yīng)用的鋰電池可分為磷酸鐵鋰電池、三元電池和錳酸鋰電池等類型。

磷酸鐵鋰電池，正極材料為磷酸鐵鋰，該類型電池具有技術(shù)成熟度高、生產(chǎn)成本較低、安全性良好、循環(huán)壽命長等主要特性。

三元電池，其電池正極材料主要由鎳、錳（或鋁）、鈷與鋰元素組成。目前市場份額最高的系鎳鈷錳酸鋰電池。三元材料電池能量密度更高、充放電倍率性能和低溫性能好，但安全性、循環(huán)壽命不如磷酸鐵鋰電池。

錳酸鋰電池顧名思義其正極材料為錳酸鋰。該類型電池的成本較低、倍率性能優(yōu)異、安全性好，劣勢在于存儲和循環(huán)壽命較差、比能量偏低。

1．2．2 在研新型動力電池

在全球汽車產(chǎn)業(yè)電動化趨勢下，高續(xù)駛里程的車輛要求更高能量密度、更佳倍率充放電性能的動力電池。因此下一代新體系電池應(yīng)具備高比能量、高比功率、高安全性、循環(huán)壽命以及更低的成本指標。目前在研鋰電池方向以固態(tài)電池為兩類主要方向。

2 動力電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀

2．1 國際方面

2．1．1 市場分析

從全球動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局來看，目前的動力電池材料研發(fā)與科技創(chuàng)新、生產(chǎn)制造與產(chǎn)業(yè)化形成3個主要集聚區(qū)域，分別是美國、日本在研發(fā)上領(lǐng)先，中、韓、日產(chǎn)業(yè)化規(guī)模最大。從市場份額來看，中、韓、日三國企業(yè)生產(chǎn)電池配套了全球近95％的汽車，其中中國品牌電池配套占比超過60％。綜合技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，美國、日本在技術(shù)研發(fā)領(lǐng)先，韓國在工程化應(yīng)用方面領(lǐng)先，中國在產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面領(lǐng)先。

表1 全球動力電池企業(yè)配套車企

2．1．2 主流技術(shù)路線應(yīng)用分析

根據(jù)國際、國內(nèi)市場應(yīng)用需求不同，不同技術(shù)路線類型的鋰電池在國際、國內(nèi)市場均有廣泛應(yīng)用。

從全球整車企業(yè)的電池匹配來看，日系和韓系電池主要配套全球知名車企集團，應(yīng)用車型包含混合動力車型、插電式混合動力車型和純電動車型。在技術(shù)路線方面，國際車用動力電池單體以錳酸鋰、三元材料體系為主（高鎳體系的鎳鈷錳和鎳鈷鋁）。我國動力電池除寧德時代廣泛配套國際品牌車型電池之外，缺乏實力較強的龍頭企業(yè)參與國際競爭。

從國內(nèi)車用動力電池供應(yīng)來看，商用車（客車、專用車）市場在政策多年培育之下已經(jīng)趨于穩(wěn)步發(fā)展，各家動力電池應(yīng)用技術(shù)路線差異很小，主要發(fā)展趨向是提升能量密度，主要技術(shù)路線仍以磷酸鐵鋰為主。國內(nèi)乘用車企業(yè)主要使用國內(nèi)品牌動力電池，產(chǎn)品應(yīng)用以高能量密度的三元電池為主。

綜上所述在技術(shù)路線的先進性和多元化、匹配車型多樣化以及產(chǎn)品國際化發(fā)展程度方面，我國動力電池企業(yè)的綜合實力，相比日、韓系的企業(yè)仍有較大發(fā)展空間。

圖 1 車用鋰離子動力電池技術(shù)路線

2．1．3 全球主要區(qū)域發(fā)展策略

美國、歐洲、日本在動力電池方面發(fā)展路線有所差異。歐盟逐漸意識到動力電池在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面落后，為避免產(chǎn)品供應(yīng)依賴性，開始推進實施“電池同盟”的計劃，倡導(dǎo)歐盟各成員國加大投入，促進動力電池生產(chǎn)和回收在歐洲產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。美國動力電池產(chǎn)業(yè)具備下一代電池研發(fā)優(yōu)勢。一是材料原始創(chuàng)新、工程技術(shù)創(chuàng)新方面的優(yōu)勢。美國的電池基礎(chǔ)材料研發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品集成應(yīng)用技術(shù)全球領(lǐng)先。二是在動力電池關(guān)鍵主材方面，美國在固態(tài)電池、正極鋰電池材料、硅基負極、隔膜等方面領(lǐng)先，其中陶氏化學(xué)在正極材料、Celgard公司在隔膜技術(shù)世界領(lǐng)先。

日本電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模小于中國，但是在布局下一代電池方面領(lǐng)先。日本電池企業(yè)主要包括兩類，一是與日系整車企業(yè)合資開展動力電池研發(fā)生產(chǎn)，二是獨立面向全球車企供應(yīng)電池，以松下為代表企業(yè)，為大眾、特斯拉、福特等多家知名企業(yè)配套。在下一代電池研發(fā)領(lǐng)域，日本經(jīng)濟省與豐田、日產(chǎn)、本田、松下等23家汽車、動力電池及其材料類企業(yè)聯(lián)合研發(fā)固態(tài)電池，計劃于2022年全面掌握固態(tài)電池的相關(guān)技術(shù)。

2．2 國內(nèi)方面

2．2．1 產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境

為促進動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國出臺了相應(yīng)的政策體系，體系內(nèi)容包括產(chǎn)業(yè)支持政策、發(fā)展指導(dǎo)意見、管理規(guī)范等內(nèi)容。相關(guān)政策又分為宏觀管理政策、行業(yè)發(fā)展政策、行政管理法規(guī)體系和可研專項支持等。在宏觀層面，發(fā)展指導(dǎo)意見明確了動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)，包括基礎(chǔ)和前瞻科研部署、技術(shù)創(chuàng)新目標、關(guān)鍵共性技術(shù)突破、動力電池梯級利用回收等。在產(chǎn)業(yè)管理方面，為維護市場秩序、合理配置資源、促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家發(fā)改委、工信部出臺了對相關(guān)企業(yè)經(jīng)營活動實施規(guī)范化管理的政策。動力電池在這政策體系的支持下，技術(shù)水平快速進步，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，市場集中度持續(xù)提升。在這產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢下，動力電池產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了階段性、結(jié)構(gòu)性的產(chǎn)能過?，F(xiàn)象，政策環(huán)境也相應(yīng)由扶優(yōu)扶強轉(zhuǎn)向優(yōu)勝劣汰。

2．2．2 行業(yè)特點

我國動力電池行業(yè)特點是單位投資投入高（1GWh產(chǎn)能建設(shè)一般需要5億人民幣）、技術(shù)門檻高、研發(fā)創(chuàng)新快、人才要求高、升級換代快、生產(chǎn)自動化要求高等特點。

動力電池產(chǎn)業(yè)屬于典型資本密集型高科技產(chǎn)業(yè)，具體體現(xiàn)在資金投入規(guī)模大、人員從業(yè)素質(zhì)高、技術(shù)體系門檻高、產(chǎn)品研發(fā)迭代快、生產(chǎn)設(shè)備自動化、質(zhì)量管理精益化等特點。目前動力電池企業(yè)建設(shè)規(guī)模都在10GWh左右，僅項目建設(shè)投入至少5億元人民幣。動力電池技術(shù)研發(fā)與工藝工程包括納米級基礎(chǔ)材料性質(zhì)研發(fā)、四大主材工藝（正極、負極、隔膜、電解液）、電芯制造、電池系統(tǒng)集成等，生產(chǎn)過程復(fù)雜、環(huán)境要求苛刻、設(shè)備精度要求極高，因此行業(yè)門檻非常高。

2．2．3 主流技術(shù)類型分析

我國動力電池技術(shù)路線與全球主流應(yīng)用基本一致。全球車用動力電池產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)路線以鎳鈷錳三元材料電池為主，錳酸鋰、磷酸鐵鋰技術(shù)路線發(fā)展逐漸放緩，固態(tài)電池等先進產(chǎn)品技術(shù)路線尚未形成規(guī)模化工程應(yīng)用。從產(chǎn)品規(guī)格與標準來看，動力電池系統(tǒng)已經(jīng)逐漸由燃油車基礎(chǔ)開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向為新能源汽車平臺正向開發(fā)，動力電池系統(tǒng)與汽車底盤一體化設(shè)計，從而逐漸形成電芯、模組和系統(tǒng)規(guī)格尺寸標準統(tǒng)一的趨勢。在全球競爭中，我國動力電池單體產(chǎn)品的核心技術(shù)指標、規(guī)格標準方面，已經(jīng)與全球先進產(chǎn)品差距不大。

2．2．4 地區(qū)性產(chǎn)業(yè)集群分析

我國動力電池產(chǎn)業(yè)主要分布在京津地區(qū)、華東地區(qū)、中原地區(qū)和華南地區(qū)。京津地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，以中信國安盟固利、天津力神、北京國能、天津捷威、天津比克等企業(yè)為主；中原地區(qū)具備傳統(tǒng)的電化學(xué)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，形成了以上游材料和動力電池整個產(chǎn)業(yè)鏈的為主的企業(yè)集群，主要企業(yè)包括中航鋰電、多氟多、鄭州比克、河南鋰動、新太行、環(huán)宇等。華東地區(qū)是我國動力電池研發(fā)實力、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、上下游產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)最發(fā)達的地區(qū)，以大規(guī)模市場需求拉動了動力電池產(chǎn)業(yè)投資和發(fā)展，包括寧德時代、國軒高科、萬向、天能、超威、雙登等知名企業(yè)，該地區(qū)知名車企集團車用動力電池需求帶動了市場和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。華南地區(qū)具有一批數(shù)碼產(chǎn)品電池企業(yè)，在此產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上形成了以比亞迪、沃特瑪、雄韜電源、天勁、深圳比克、億緯鋰能、欣旺達、振華新能源、卓能新能源等一批動力電池企業(yè)。

2．2．5 市場分析

我國動力電池市場發(fā)展呈現(xiàn)出乘用車電池配套量增長、高能量密度電池配套增加，行業(yè)聚集度進一步提升的特點。根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應(yīng)用分會的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2018年度我國新能源汽車動力電池配套量超過56．89GWh，同比2017年增長56．88％，前20強企業(yè)裝機量52．23GWh，占全年裝機量的91．8％。其中，三元電池30．1GWh，占比58．17％，同比2017年增長103．71％；磷酸鐵鋰電池22．2GWh，占比39％，同比2017年增長23．51％；錳酸鋰電池1．08GWh，占比1．9％，同比2017年減少26．7％；鈦酸鋰電池0．52GWh，占比0．91％，同比2017年減少8．99％。從各動力類型來看，純電動汽車配套的動力電池裝機量累計約53．01GWh，同比增長55．64％；插電式混合動力汽車配套的動力電池裝機量累計約3．82GWh，同比增長75．34％。

我國動力電池產(chǎn)業(yè)企業(yè)優(yōu)勝劣汰快速，雙雄＋多強的市場格局初步形成。2018年前十家單體企業(yè)累計配套量約470億瓦時，市場占比約82．72％。其中寧德時代和比亞迪配套量大幅領(lǐng)先，分別達234億瓦時和114億瓦時，寧德時代市場占比由2017年的29．0％提升至2018年的41％，比亞迪市場占比則由2017年的15．5％提升至2018年的20．1％。根據(jù)產(chǎn)業(yè)政策引領(lǐng)方向和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，我國動力電池產(chǎn)業(yè)集中度有望進一步提升。

表2 2018年動力電池企業(yè)配套量排名

2．2．6 重點企業(yè)分析

從動力電池配套特征來看，動力電池行業(yè)傳統(tǒng)領(lǐng)先企業(yè)寧德時代、比亞迪、力神、國軒、孚能等產(chǎn)品類型基本可以代表國內(nèi)產(chǎn)品主流類型，一是材料體系主要為三元和磷酸鐵鋰；二是高能量密度的三元電池主要配裝乘用車，高安全性低成本的磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用于客車和專用車；三是除寧德時代外，國內(nèi)動力電池企業(yè)配套仍以國內(nèi)整車企業(yè)為主，與日韓電池配裝國際知名品牌汽車的規(guī)模和影響力相比仍有差距。

表3 不同企業(yè)動力電池產(chǎn)品類型和應(yīng)用情況

3 動力電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的路徑

隨著不同技術(shù)路線動力電池產(chǎn)品工程化、商業(yè)化發(fā)展，鋰離子動力電池技術(shù)正朝著更高的能量密度、循環(huán)壽命等指標逐漸進步。其中，正極材料采用高鎳三元材料，負極加入納米硅形成硅碳負極材料，電解質(zhì)逐漸由液態(tài)發(fā)展為固態(tài)，以實現(xiàn)更高的鋰電池能量密度產(chǎn)品與相關(guān)市場領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化。

3．1 高鎳三元正極材料

3．1．1 技術(shù)原理、優(yōu)缺點

三元材料目前是高能量密度動力電池最優(yōu)選擇。高鎳三元短期內(nèi)正在成為動力電池應(yīng)用主流。三元材料結(jié)合了鎳（提升電池容量）、鈷（提高離子導(dǎo)電性）、錳（穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）的性能優(yōu)勢，是近階段高能量密度、高性能和低成本的主流產(chǎn)品。到2020年，我國高鎳三元鋰電池產(chǎn)業(yè)化能量密度指標是300Wh／kg，力爭實現(xiàn)350Wh／kg。

高鎳三元材料在技術(shù)方面仍存在一定的缺點。一是高鎳三元材料的鎳比例提升，加劇鎳鋰離子混排，降低了放電比容量；二是鎳在脫嵌鋰過程中相變導(dǎo)致體積變化，降低了材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而導(dǎo)致循環(huán)壽命下降；三是碳酸鋰等雜質(zhì)在高鎳正極材料上更易形成，高溫環(huán)境會導(dǎo)致脹氣，雜質(zhì)與電解液發(fā)生副反應(yīng)，最終導(dǎo)致循環(huán)壽命下降，；四是鎳含量的增加產(chǎn)生熱量，使得正極材料熱穩(wěn)定性下降；五是高鎳三元材料表面雜質(zhì)增加，電解液配方優(yōu)化方案目前仍屬難題。

3．1．2 研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、主要研發(fā)企業(yè)

國際方面，松下、三星SDI、LG化學(xué)等企業(yè)高鎳三元電池已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)（松下鎳鈷鋁三元材料電池配套特斯拉車型，鎳、鈷、鋁比例為81．50．5，單體電芯能量密度為300 Wh／kg）。

國內(nèi)方面，目前企業(yè)普遍在研發(fā)三元材料622體系、811體系技術(shù)，尚未大規(guī)模量產(chǎn)。寧德時代、比亞迪、力神、國軒高科等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)在高鎳三元鋰電池研發(fā)方面已取得進展。比亞迪、中航鋰電、比克電池的正極材料采用高鎳三元材料，負極材料選用納米硅材料體系，2020年能量密度擬提升到300Wh／kg。寧德時代高能量密度電芯采用高鎳三元／硅碳材料體系， 計劃2020年達300Wh／kg。國軒高科、中電力神、億緯鋰能的高能量密度電芯采用高鎳三元正極和硅基負極材料體系 ，計劃2020年達300Wh／kg。

3．2 硅碳負極材料

3．2．1 技術(shù)原理、優(yōu)缺點

納米硅與石墨形成的硅碳負極材料，能夠有效提升鋰電池的克容量，進一步實現(xiàn)更高的能量密度。從目前已產(chǎn)品化的硅碳負極材料性能來看，相比于石墨負極材料而言，硅碳負極材料最大的優(yōu)勢在于比容量的提升。硅碳負極材料的最低比容量均都超過石墨負極材料的理論比容量。石墨的理論能量密度是372 mAh／g，硅負極的理論能量密度高達4200mAh／g。

盡管如此，硅碳負極材料目前仍存在缺點，一是硅體積在充放電的過程產(chǎn)生體積膨脹100％～300％，一定程度上影響電導(dǎo)率。二是硅為半導(dǎo)體，導(dǎo)電性與石墨存在差距，在鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大，首次庫倫效率發(fā)生下降。

3．2．2 研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、主要研發(fā)企業(yè)

國際方面，特斯拉Model 3使用硅碳負極的動力電池，電池容量達到了550mAh／g以上，能量密度達到300Wh／kg。日本GS湯淺研發(fā)的硅基負極鋰離子電池，已應(yīng)用于三菱等知名品牌汽車；日立集團麥克賽爾公司已研發(fā)出高容量硅負極鋰電池。

國內(nèi)方面，寧德時代、國軒高科、比亞迪、比克、力神、中航鋰電等企業(yè)已經(jīng)在硅碳負極電池研發(fā)方面取得進展。同時國內(nèi)負極材料生產(chǎn)企業(yè)均在硅碳負極領(lǐng)域有所布局，貝特瑞、紫宸等企業(yè)已率先推出多款硅碳負極材料已納入上述動力電池研發(fā)體系，杉杉能源已將硅碳負極材料進行產(chǎn)業(yè)化。硅碳新型負極材料已成為電池和材料企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的主攻方向。

3．3 固態(tài)電解質(zhì)

3．3．1 技術(shù)原理、優(yōu)缺點

固態(tài)電池，是一種應(yīng)用固體電極和電解質(zhì)的電池。目前包括全固體鋰電池、鋰空氣電池等（金屬鋰與氧進行可逆反應(yīng)）。全固態(tài)鋰電池是鋰電池的一種創(chuàng)新體系。一是電芯中業(yè)態(tài)電解質(zhì)含量逐漸下降，固液混合電解質(zhì)逐步替代液態(tài)電解質(zhì)，并最終發(fā)展成為全固態(tài)電解質(zhì)。電解質(zhì)主要包括兩大類，一類是有機聚合物固態(tài)電解質(zhì)，一類是無機聚合物固態(tài)電解質(zhì)。其中的固態(tài)電解質(zhì)不同于傳統(tǒng)的鋰電池業(yè)態(tài)電解質(zhì)，具有高離子電導(dǎo)率、高離子遷移數(shù)、機械性能好、熱穩(wěn)定性好，具有良好的兼容性。

固體電解質(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)穩(wěn)定性好，電極材料不會溶解。更多較高電化學(xué)穩(wěn)定性的固體材料電解質(zhì)正在研究，未來正負極材料正朝著更高電壓、更大電流容量密度方向發(fā)展。但與此同時，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在成本較高，阻抗和電導(dǎo)率導(dǎo)致充電倍率偏低，以及電極與電解質(zhì)界面阻抗過大等缺點。

3．3．2 研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、主要研發(fā)企業(yè)

國際方面，豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域具有較長的研究歷史，其鋰硫體系電池已在美國成功申請專利，該體系最大特點在于良好的熱穩(wěn)定性和安全性，成為最具產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)路線。Solid Power公司則采用鋰金屬作為負極技術(shù)路線，研發(fā)更高能量密度的產(chǎn)品，并于寶馬公司開展產(chǎn)業(yè)化合作。此為，三星SDI、現(xiàn)代集團、日立集團、法國Bolloré、美國Sakti3等公司也在固態(tài)電池自主研發(fā)方面取得進展，力求早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

國內(nèi)方面，中科院寧波所以鋰金屬負極和鋰硫體系為方向，研究不同電解質(zhì)體系的高安全性、高倍率性固態(tài)電池。中科院青島能源與過程研究所提出離子導(dǎo)電聚合物體系，該體系由高分子聚合物和鋰鹽構(gòu)成，該體系對結(jié)構(gòu)的力學(xué)強度有明顯提升。此外，寧德時代、中電力神、贛鋒鋰業(yè)、國能電池等國內(nèi)企業(yè)已開展400Wh／kg以上高能量密度固態(tài)電池研發(fā)和制造工藝研究，固態(tài)電池替代當前鋰電池的產(chǎn)業(yè)化進展逐漸加快。

4 結(jié)論

本文從產(chǎn)業(yè)、市場、技術(shù)等方面詳細分析了我國鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展現(xiàn)狀，并從產(chǎn)業(yè)和技術(shù)角度分析了我國動力電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢，探討了我國動力電池在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展質(zhì)量、技術(shù)研發(fā)、國際發(fā)展等方面情況，最后指出我國鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的路徑。我國動力電池市場需求巨大，但行業(yè)競爭日益激烈，行業(yè)洗牌和整合正在進行，市場將進一步向優(yōu)勢企業(yè)集中。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的過程中，動力電池產(chǎn)業(yè)主體必須將產(chǎn)品性能和安全性放到首位，不斷加強新材料體系動力電池研發(fā)和制造工藝創(chuàng)新能力建設(shè)，只有擁有足夠產(chǎn)品研發(fā)實力及規(guī)模化生產(chǎn)能力、把握產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向的主體才能在未來競爭中立于不敗之地。

作者阮藝亮