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锂离子电池技术发展现状与趋势

一、文献综述
1、前言
现阶段，日本、韩国、美国等国家引领锂离子动力电池技术的发展。日本的行业技术水平具有领先优势，韩国的动力电池制造能力处于领先地位，美国则具有引领前沿的科研能力。
2、国外发展现状
2·1日本
2·11 2009年，日本政府推出了RISING计划(创新型蓄电池尖端科学基础研究事业)和U～EAD项目(汽车用下一代高性能电池系统)，并于2013年更新了动力电池技术发展路线图(RM2013)，具体指标有2020年电池的续航里程实现250～350km·电池系统总电量达到25～35kW·h，电池能量密度实现250Wh· kg-1，功率密变达到1500W·kg-1，循环寿命达到1000-1500次，价格成本降低到2万日元/W·h。RM2013指明了电极材料的发展方向，正极材料要发展xLiMn03·(1～x)LiMO2(M=Ni，Co，Mn，0≤x≤1)、LizMSi0s、LiNiosMn1s04、LiCnP04、Li2MSO·F、LiMO2(M=Ni，Co，Mn)；负极材料要发展Sn～CoC合金，Si基负极包括Si/C和Si0，以及Si基合金。
2·12日本具有代表性的锂离子动力电池企业为松下电池公司。松下是动力电池行业的领导者，作为Tesla最主要的动力电池供应商，凭借Tesla的发展稳居市场领导者地位，全球市场份额在20%左右。目前松下电池主要给ModelS和MndelX提供18650圆柱电池，正极采用镍钴铝三元材料(NCA)，负极使用硅碳复合材料，单体能量密度可达252Wh·kg-1，而即将使用在Mode13上的21700圆柱形电池单体能量密度更是提高到300Wh·kg-1·是目前行业内能量密度最高的电池。
2·2韩国
2·21 2011年，韩国启动了包含锂离子电池关键材料、应用技术研究、评价及测试基础设施以及下一代电池研究的二次电池技术研发项目。LG化学和三星SDI是具有代表性的韩国锂离子动力电池企业，也是动力电池领域的后起之秀，两者凭借先进技术和低价策略迅速打开市场，增速较快。LG化学动力电池正极材料主要是镍钴锰三元材料(NMC)；在电池包装方面，LG化学采用叠片式软包设计，是全球公认的软包龙头企业。目前其能量型单体电池的能量密度为170-180Wh·kg-1。LG化学希望到2020年开发出能量密度为200Wh·kg-1电池和250Wh·kg-1的富锂锰基电池。LG化学主要与通用、雷诺、福特、大众等国际厂商合作，其中雷诺Zon和雪佛兰Volt的畅销更是使其动力电池市场份额提升到全球顶尖水平。
2·22三星SDI动力电池正极材料采用三元NMC和NCA材料，负极材料为石墨，封装形式以方形电池为主。单体电池现阶段的能量密度在170-180Wh·kg-1，预计到2019年，单体电池的能量密度能到250Wh·kg-1。三星SDI是除松下外最主要的NCA动力电池生产厂家，其最大客户是宝马公司。
2·3美国
2·31美国一直在大力支持锂离子动力电池。2013年，美国国家能源局(DOE)公布电池研发路线，要求到2022年单体电池能量密度达到350Wh·kg-1。为此，美国先进电池联盟(USABC)提出的发展方向是：正极采用高压三元材料、LiNin，Mn304材料、xLi2Mn03·(l～x)LiMO2材料等高电压/高容量材料：采用Si基或Sn基材料作为负极；电解液使用阻燃电解液、5V高压电解液以及高低温性能更好的电解液；隔膜采用陶瓷隔膜。EnviaSysterns公司利用富锂锰基正极材料xLi2Mn03·(1～x)LiMO2、石墨负极和高电压电解液制备的单体电池能量密度达到250Wh·kg-1。
3国内发展现状
3·11在经历了“十五”计划锰酸锂电池的研发、“十～五”计划磷酸铁锂电池的推进和“十二五”计划三元电池的提升之后，我国锂离子电池产业规模开始迅猛增长，2015年已经超过日本和韩国达到全球首位，并于2016年扩大了领先优势。近五年，电池单体能量密度提升了1倍，达到200Wh·kg-1，电池系统单位成本下降到15元水平。中国锂离子动力电池产业持续发展得益于两个方面：(1)国内电动汽车市：场快速增长，(2)国内电动汽车企业大量使用本国的电池。
3·12 2016年，时代新能源(CATL)、比亚迪、沃特玛、国轩高科、力神这五大巨头占据近7成的国内动力电池市场，市场集中度进一步提升。比亚迪的动力电池路线以磷酸铁锂为主，正逐步涉足三元电池。产品外形上以方形铝壳为主，也有部分采用软包。比亚迪一直以来坚持磷酸铁锂路线，目前单体能量密度达到130Wh·kg-1，规划到2020年达到200Wh·kg-1，基本接近理论极限。其新电池在磷酸铁锂电池中加人了锰元素，形成了磷酸铁锰锂新电池，电池能量密度提升至150Wh·kg-1。CATL的产品以方形铝壳电池为主，正极材料包含磷酸铁锂和三元材料。在磷酸铁锂和三元电池两条路线上，储能和大巴因为安全、成本和产品实用性的考虑，主要走磷酸铁锂的技术路线，乘用车领域，2015年开始CATL全面转向三元材料。目前，CATL在磷酸铁锂上可以做到单体能量密度120Wh·kg-1，三元电池单体电芯的能量密度可实现250Wh·kg-1。沃特玛采用复合材料作为电池E负极材料，可以实现电池能量密度20%左右的提升。目前沃特玛磷酸铁锂电池单体能量密度可达到180～200Wh·kg-1，电池成组后可达到100Wh·kg-1。国轩高科目前正处于由磷酸铁锂向三元转型的关键时期。目前，国轩高科有三元电池产能2GW·h、磷酸铁锂电池产能3·5GW·h，2017年年底将分别达到3GWh与5GW·h。力神目前总产能达到3GW·h，其中动力电池产能为2GW·h，绝大部分又为磷酸铁锂电池。力神在高能量密度动力电池研发方面进行了尝试，研发出2·5Ah实验电芯，0·1C时能量密度为310Wh·kg-1。
3·13整体而言，国内动力电池产业存在以下几个变化：(1)技术路线逐渐多元化；(2)补贴下降、成本上升；(3)扩产周期逐步拉长，(4)自动化程度已远超预期；(5)一些车企开始拓展新的应用领域，如低速电动车、自行车、甚至向海外发展。
4、 目的和意义
持续关注中国市场的发展，提供可行性的方案。促进中国锂离子电池更快更好的发展。能够有效地解决我国能源短缺和传统能源使用带来的环境污染问题。新能源清洁干净、污染物排放很少，是与人类赖以生存的地球生态环境相协调的清洁能源，新能源污染物排放很少，采用新能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。

5、 参考文献
（1）工业和信息化部，科技部，节能与新能源汽车产业规划。
（2）工业和信息化部，发展改革委，科技部，等，促进汽车动力电池产业发展行动方案。
（3）《中国制造2025》重点领域技术路线图(2015年版)，节能与新能源汽车部分。
（4）杨晓婵，日本制半导体制造装置销售预测[J].现代材料动态。
（5）李玲，国内车用电池产业现状大盘点[J].商用汽车新闻。
（6）张承宁，王再宙，宋强，基于传声器阵列电动汽车用电机系统噪声源识别研究[J].中国电机工程学报。
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（8）张彦琴，铅酸蓄电池技术的发展[J]，汽车电器。
（9）王俊喜，马骊歌，电动汽车是中国汽车未来的发展方向[J],企业研究。
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（15）Kang K,Ceder G.Factors thataffect Li mobility in layeredlithium 
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二、 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）
近年来，我国为了有效应对能源危机和环境污染的挑战，并实现汽车产业跨越式发展，大力发展了新能源汽车。锂离子动力电池作为现阶段新能源汽车的最优选择同时也是目前新能源汽车中应用最广泛的电池，其总体性能的提升和成本的降低是各国电池厂商竞争的主要目标。目前，国外的动力电池基本上放弃T锰酸锂和磷酸铁锂路线，集中于三元路线；而国内的电力电池主要表现为三元电池和磷酸铁锂电池两种路线并举。从发展情况来看，随着国内补贴政策对动力电池能量密度要求的提高和消费者对小型化、长续航里程需求的加强，三元电池成为主流技术路线的趋势已经不可逆转。在动力电池产业加速发展的形势下，无论是圆柱电池、方形电池还是软包电池都在各自擅长的应用领域得到了快速发展，在封装路线选择上，三种电池三足鼎立的局面将长期保持并且产能都将得到扩大。
未来动力电池的发展趋势是更高的能量密度、更好的安全性和更低的成本。动力电池比能量的提升可以从制造大容量、轻量化的电芯和提升PACK成组效率方面进行改进，也可以通过新型正负极材料、隔膜、电解液等关键材料的使用来实现。动力电池的成本降低可以从降低原材料成本，扩大规模，改进工艺，提升良率，以及模块化设计和梯次利用降低电池生命周期成本等方式实现。