国内外锂离子动力电池发展现状及趋势*

刘国芳赵立金王东升

（1.中国汽车工程学会；2.中国汽车工程研究院北京分院）

动力电池是电动汽车的心脏，是新能源能否可持续发展的关键所在。随着全球新能源汽车市场的快速发展，动力电池市场大幅增长，动力电池技术取得突破性进展。其中，锂离子动力电池是目前实现产业化的动力电池产品中能量密度最高的电化学体系，具有较长的循环寿命，安全性不断提高。同时，锂离子电池已处于自动化大规模生产制造阶段，成本不断下降。文章重点介绍中、日、韩等国家的锂离子动力电池发展现状，分析国内锂离子动力电池发展存在的问题，指出锂离子动力电池的发展趋势。

1 国外锂离子动力电池发展概况

日本和韩国是锂离子动力电池的主要生产地国，研发和制造实力雄厚。在2016年全球动力电池产品出货量方面，日本的松下电池排名第1，约为7.2 GW·h，韩国的LG和三星SDI分别排名第5位和第9位，出货量分别约为2.5 GW·h和1.1 GW·h，前10名中的其他位次则均由中国企业占据。随着中国新能源汽车及动力电池产业的快速发展，日、韩锂离子动力电池在全球的市场份额在逐年下降，但日本却一直占据着锂离子动力电池高端市场的主导地位，其锂离子动力电池技术也是整个动力电池行业的风向标。

日本早于2009年就研究制定了动力电池技术路线图，并随着产业的调整和技术的发展，进行多次修订，最终形成了《NEDO（日本新能源与产业技术综合开发机构）二次电池技术研发路线图2013》[1]，该路线图以能量密度、比功率、成本、寿命为指标，明确了动力电池技术发展方向。路线图指明，到2020年，高能量密度型动力电池比能量达到250 W·h/kg，比功率达到1 500 W/kg，

*基金项目：国家科技支撑项目（2015BAG17B03）成本约为2万日元/kW·h（约人民币1.2元/W·h），日历寿命10～15年，循环寿命1 000～1 500次；高比功率型动力电池比能量达200 W·h/kg，比功率达2 500 W/kg，成本约为2万日元/kW·h（约人民币1.2元/W·h），日历寿命10～15年，循环寿命4 000～6 000次[2]。目前，除丰田保留镍氢电池以外，日本主要车企及动力电池企业均选择锂离子动力电池，且多选择高镍三元正极材料技术路线以实现高能量密度的目标。松下生产的镍钴铝NCA18650动力电池，单体比能量达到250 W·h/kg，其与特斯拉联合开发的新型21700动力电池已实现量产，并用于Tesla Model 3电动汽车。据特斯拉公布的数据显示，21700动力电池单体比能量达到了300 W·h/kg，与原18650动力电池相比，单体比能量提升了20%以上，单体容量提升了35%，系统成本降低10%左右。

韩国动力电池产业较日本起步晚，但其在基础研发、原材料、生产装备及电池产业化技术等方面的投入巨大，进展迅速，建立了相对完整的锂离子动力电池产业链，且产业集中度较高。LG化学和三星SDI为韩国最主要的动力电池企业，主要推行国际化发展战略和低成本战略，均在中、美、日、韩等国家建有生产基地，并与多个跨国整车企业建立了稳定的供货关系。目前，LG化学主要生产软包装三元材料动力电池，正极材料以镍钴锰NCM为主，负极材料以石墨和混合硬碳为主，单体比能量达到了240～250 W·h/kg。三星SDI主要生产方型和圆柱型三元材料动力电池，采用NMC622正极材料和石墨负极材料，方型动力电池单体比能量达到了220 W·h/kg，圆柱型18650动力电池单体比能量达到了250 W·h/kg。

2 国内锂离子动力电池技术发展概况

在国内新能源汽车产业的带动下，我国锂离子动力电池产业规模急剧扩大，已形成了包括关键原材料、动力电池、系统集成、示范应用、回收利用、生产装备、基础研发等在内的完善的锂离子动力电池产业链体系，整体产业规模达到世界领先。2016年我国锂离子动力电池出货量达到30.5 GW·h，在全球锂离子动力电池销售排行榜中，我国动力电池企业占据7个位次，比亚迪和宁德时代分别以7.1 GW·h和6.8 GW·h的销量排名第2和第3，与第1松下只有很小的差距，如图1所示。在总的锂离子动力电池出货量中，磷酸铁锂电池占比为60%多，三元材料动力电池占比为34%。磷酸铁锂动力电池在客车领域占据主导地位，三元材料动力电池在乘用车领域占据主导地位。随着国内新能源汽车补贴政策对续驶里程要求的提高和节能与新能源技术路线图中对动力电池高比能的规划，企业迅速布局和加大对高比能量锂离子动力电池的研发和生产投入，在2017年的动力电池市场中，三元材料动力电池增长趋势明显，2017年上半年，三元材料电池占比提高至60.5%，磷酸铁锂电池占比约为38.08%。综合考虑国内原材料来源、价格等因素，未来较长一段时间，三元材料动力电池和磷酸铁锂动力电池2种技术路线将共存发展，但向三元材料动力电池转化的趋势明显。

图1 2016年全球动力电池企业销量排行榜

2016年，中国汽车工程学会在工信部指导下，发布了《节能与新能源汽车技术路线图》，其中，锂离子动力电池2020年的技术目标：EV用锂离子动力电池，单体比能量达到350 W·h/kg，系统比能量达到250 W·h/kg，单体成本为0.6元/kW·h，系统成本为1.0元/kW·h，单体寿命4 000次/10年，系统寿命3 000次/10年；PHEV用锂离子动力电池，单体比能量达到200 W·h/kg，系统比能量达到120 W·h/kg，单体充电比功率达到1 500 W/kg，系统充电比功率达到900 W/kg，单体成本为1.0元/kW·h，系统成本为1.5元/kW·h，系统寿命3 000次/10年[3]。为实现锂离子动力电池的高比能、高比功率、高安全和长循环寿命，国内动力电池企业多选择高镍正极材料，石墨或硅碳负极材料，高电压/高安全电解液、有机和/或无机涂层的聚乙烯隔膜等材料，通过电极结构优化设计、电池结构优化设计、生产工艺优化设计和轻量化设计等技术手段。

目前，国内软包装磷酸铁锂动力电池单体比能量已提升至160 W·h/kg，系统比能量达到125 W·h/kg，在常温条件下，1 C充放电循环3 000次后，仍具有80%的容量保持率。18650圆柱型三元材料动力电池单体比能量提升至260W·h/kg，系统比能量达到180W·h/kg。单体循环寿命达到1000次，系统循环寿命达到800次，容量保持率均在80%以上，方型三元材料动力电池单体比能量超过230W·h/kg，能量密度超过560W·h/L，在室温条件下，1 C充放电循环寿命超过2 000次，容量保持率仍在80%以上。HEV用锂离子动力电池主要为三元材料动力电池，单体比能量达到160 W·h/kg，比功率达到1 800 W/kg，在常温条件下，1 C充放电循环寿命从3 000次/5年大幅提升到5 000次/8年，实现了4 C快充功能。

3 国内动力电池产业存在问题

虽然我国锂离子动力电池产业规模已经全球领先，技术水平提升显著，单体锂离子动力电池与国外基本处于同一技术水平，但放眼全球，我国锂离子动力电池产业在产业结构、系统集成、精密制造、回收利用等方面仍然存在不足，主要表现在以下几个方面：

1）高端产能不足，低端产能过剩。2016年国内生产的新能源汽车产品共有213家动力电池配套企业，其中，国外企业4家，国内企业209家，国内企业的配套量占比超过99.9%，单体动力电池的总产能超过120 GW·h，但产能的综合利用率不足50%。同时，高端电池材料仍需要进口，高端优质产品处于供不应求的局面，带来了行业结构性风险上升的问题。

2）单体技术水平提高，集成技术较低。动力电池系统设计水平不高，系统集成多未实现半自动化和自动化的连续生产，成组电池的兼容性较差，落后于国际先进水平。

3）关键装备依赖进口，制造水平仍待提高。制造工艺和生产设备是决定电池性能的重要因素。日、韩等国采用了较高的自动化装备，自动化水平在80%以上。国内除部分一流企业以外，多数动力电池企业的制造工艺水平较低，自动化水平低于50%，且关键装备依赖进口设备，自主研发装备精度低，影响产品一致性。

4）电池回收利用体系不完善。因电池系统内部结构设计、模组连接方式、工艺技术存在差异，回收利用未完全实现自动化，虽国家已出台相关支持政策及标准规范，但仍未形成规模化的回收产业链和成熟的回收体系，同时，回收经济性欠佳，也会从一定程度上影响企业研发投入力度。

4 锂离子动力电池未来发展趋势

分析国内外锂离子动力电池发展现状，呈现出以下发展趋势：

1）产业集中度进一步提高。随着锂离子动力电池技术的不断提升，产业规模的不断扩大，动力电池行业的市场竞争将进一步加剧，低端重复产能将被淘汰，具备技术优势和成本优势的优质企业在未来的市场竞争中处于越来越有利的地位，产业集中度将进一步提高。

2）高比能量和低成本趋势明显。2020年是锂离子动力电池技术大幅提升的阶段，从当前国内外锂离子动力电池技术发展速度来看，2020年左右，锂离子动力电池将实现比能量300～350 W·h/kg，成本0.6元/W·h的目标，技术的提高和成本的降低将进一步加剧锂离子动力电池市场的竞争。

3）新体系固态电池快速发展。固态电池在安全性、高比能等方面具有较大的发展优势，目前国内已开发出了单体比能量为250～300 W·h/kg的固态锂离子电池、300～400 W·h/kg的固态金属锂电池和570 W·h/kg的锂硫电池，在新能源汽车行业高安全和高性能要求的推动下，新体系固态电池技术将逐渐趋于成熟，成为动力电池的重要技术方向。

5 结语

锂离子动力电池是当前动力电池行业研究的热点，在未来相当长的一段时间内，仍是最适用的新能源汽车的动力电池。随着产业结构的调整，材料技术和制造技术的进步，回收利用体系的完善，锂离子动力电池产业的竞争将进一步加剧，锂离子动力电池产品在比能量、安全性及循环寿命方面的性能将不断提高，更加强有力地支撑新能源汽车产业的发展。同时，新体系固态电池技术将趋于成熟，逐渐进入示范应用阶段，为电动汽车产业提供更多元化的动力源。