中国新能源汽车用锂电池产业现状及发展趋势

2021-04-11

当代化工研究 2021年6期

（山东海容电源材料股份有限公司山东 256800）

近年来，随着汽车行业产业结构的调整，新能源汽车的使用量逐年递增，这种新能源汽车的出现，大大减少了传统汽车的碳排放量，有效实现了绿色化出行。现阶段，各个汽车生产厂家在锂电池等储能技术方面的投入日渐增多，推进了车用锂电池产业的发展，取得了一定的发展成果，推进了新能源汽车的推广和应用。

1.锂电池的特点

锂属于一种金属元素，其化学性质比较特殊，尤其是锂的电负性非常突出。此外，锂原子的还原电位甚至可以达到-3V。根据已有资料计算，1g锂在转化为锂离子的过程中，其电荷数需要达到3860mAh。锂元素的这一特征使得锂电池的单体电压要远远高出镍氢电池。当然，锂电池还存在着能量密度大、无记忆效应、充放电效率高、自放电效率低、可循环性的特征，基于锂电池的这些特性，在纯电动汽车领域，锂电池有着非常突出的应用效果[1]。新能源汽车大多以电动汽车为主，其中，最为关键的是要进行动力系统的构建，锂离子电池是动力系统的关键支撑，其动力电池以磷酸铁锂、镍钴锰三元、NCM镍钴锰等为主。锂电池中不含有汞、镉等重金属元素，环境污染源相对较小，但是，锂电池中存在正负极材料、电解质溶液等，将会对环境和人体健康产生不利影响。

2.新能源汽车动力锂电池的配套使用情况

根据有关数据，截止到当前，我国的新能源汽车动力电池配套总量超过了198亿Wh，其中，纯电动车型动力电池配套量高达184亿Wh，而其他为插电式混动车型动力电池配套量。根据当前的市场发展趋势，实际配套量与市场需求量并不完全匹配，在当前新能源汽车需求日渐增加的过程中，动力锂电池的市场发展潜力巨大[2]。从动力电池体系的实际情况来看，磷酸铁锂电池的性能较为稳定，且具有更高的安全性与可循环性，这一特性使得其在电动汽车领域的应用非常多，配套量甚至高达65%。

3.车用动力电池产业化技术发展方向

锂离子电池正极材料需要达到以下的标准与要求：高电位、高电化学比容量、高热能稳定性、强电子导电性、高的离子固相扩散速度、电解质中溶解等诸多的特性。在当前新能源汽车行业的快速发展过程中，镍钴锰锂、磷酸铁锂等都已经充分经过了实际的验证，这些材料的比能量、功率特性等完全可以达到混合动力车的现实需求，可以作为理想的正极活性材料。根据有关资料显示，在2017年，磷酸铁锂材料的生产总量超过了70000t，虽然较2016年产量有所降低，但是，在未来同样有着广阔的发展前景。随着技术的进步，未来的发展方向主要体现在：纳米合成技术、掺杂技术的应用，有效通过这些技术来提高磷酸铁锂在高温状态下容量衰减的特性[3]。其次，在近几年以来，国内的动力三元材料产量逐年增加，各个材料生产厂家扩大了三元材料的生产规模，正极材料中，高镍低钴是主要趋势，如特拉斯动力电池目前钴使用量低于3%。负极材料根据种类差异，主要以碳类和非碳类为主，前者中间相碳微球、人造石墨、天然石墨等的应用最多，尤其是天然石墨由于存在较大的比容量特性，且价格低廉，应用范围非常广，但是，天然石墨的容量稍微大些，超出了正常的使用标准，在未来的发展中，要加强对天然石墨的性能改进[4]。但是，石墨负极容量很难突破，很多厂家逐步转向其他新材料的研究，也就出现了金属氧化物与锂金属合金材料，可以通过硅碳的使用来解决石墨负极容量低的问题。

(1)中短期可实现的产业化电池体系

在当前的车用锂电池产业发展过程中，发展方向非常多，且一些实现了产业化发展，比如，以磷酸铁锂作为正极材料、石墨作为负极材料时，隔膜材料选用PP和PE，部分采用涂层膜性，已经实现了商业化，且在未来还存在着较大的发展潜力，而如果在此过程中采用的是硅碳作为负极材料，尚处于研发阶段，未取得明显的发展成果。从当前的市场发展趋势来看，新能源汽车乘用车的市场潜力巨大，随着在锂电池领域三元电池的安全性逐步得到了检验，再加上消费者对于续航里程要求有所提升、国家政策的支持，高镍三元材料电池在未来将迎来新的发展。

(2)未来新的技术体系

现阶段，虽然车用锂电池产业的发展迅猛，但未来发展方向主要还是以纯固态，氢能源为主，在这一方面，美国与加拿大的技术更为先进，在我国磷酸铁锂电池的发展过程中，常常会面临很多的知识产权纠纷。磷酸铁锂电池在使用的过程中，由于其性能比较特殊，耐低温性较差，材料一致性控制方面常常会存在诸多的问题，这就使得在整个的锂电池体系中，磷酸铁锂电池的比能量最低，在汽车设计生产时，一般要在汽车上配套高比能量的动力电池产品，方能够增加汽车的通行里程，因此，电池材料的创新是未来技术发展的主要趋势。

在国际范围内，锂硫电池是热点的研究议题，根据有关资料，以单质硫作为活性物质计算的理论比容量甚至可以达到1675mAh/g，和锂配对电池的理论比能量更是达到了2600Wh/kg，相比较而言，以硫与金属锂形成的锂/硫二次电池体系下的比能量更高，再加上原料来源相对较多，成本偏低，完全可以满足电动汽车下对于动力电池的实际需求。现阶段，虽然进行了大量的研究与开发，但是，锂硫电池的可循环使用周期相对较短，在使用时的安全性不足，大电流放电性能较差，这些都是未来发展中需要解决的突出问题。

锂空气电池的理论比能量可以达到3500Wh/kg以上，锂空气电池在使用的过程中，正极采用的是空气中的氧作为活性物质，在理论上正极容量趋于无限大，完全可以实现大容量的目的。与其他类型的电池相比，锂空气电池的比能量高、成本低、存在环境友好特性。在国际范围内，空气电极、电解液、催化剂等都在积极研发，但是，此类电池的放电性能较差、能量效率低下是短时间内无法解决的问题。

固态锂离子电池是一种新型的化学电池，其在具体的应用过程中，主要是利用固态电解质取代传统的有机电解液与隔膜，虽然其工作原理与传统电池相类似，但是，却有着传统电池无法比拟的优势：①固态锂离子电池在使用时发生电解液腐蚀与泄露的安全隐患大大降低，热稳定性相对较高；②不需要进行液体的封装处理，完全可以满足串行叠加排列和双极结构的现实需求，能够使得电池组内的无效空间大大减少；③多个电池串联叠加可以实现，有效提升了单体电池电压值；④电化学稳定窗口较宽，可以与很多的高电压电极材料配合使用，满足实际的使用需求，改变能量密度特性。

4.新能源汽车用锂电池产业发展策略

(1)引进新型龙头企业，开创产业新局面

在地区新能源汽车用锂电池产业的快速发展过程中，要积极结合区域特色，引进龙头企业，发挥龙头企业在区域中的带动作业。比如，中炬森莱企业是专门做电池的企业，其产业遍及镍氢电池、镍铬电池和锂电池、动力电池等诸多方面，在我国是较早涉及环保电池的企业，其所生产的电池在市场上的发展潜力非常巨大，锂电池在动力电池市场上的占比非常高，我国的部分地区可以与该企业之间建立战略联系，积极通过企业引进来带动区域新能源汽车用动力电池的发展。以中山市为例，大洋电机是新能源汽车产业方面的后起之秀，其在发展的过程中与北理工、北汽福田、北交大等开展了深度的战略合作，在新能源汽车用锂电池产业方面投入了很大的资金和技术，推进了车用锂电池产业的进步，锂离子电池是动力电池产业下的主要发展方向，各个地区都需要结合其区位优势，积极开创和打造动力电池产业新局面。

(2)基于产业布局与产业链视角，积极引进配套企业

在区域发展的过程中，要成为新能源汽车龙头企业，企业就必须要积极加大在土地、资源、人才方面的扶持力度，积极通过在这些方面的投入，来加大对新能源汽车用锂电池产业的扶持。地区在产业发展的过程中，需从产业布局与产业链的视角出发，积极引进配套企业，使得龙头企业可以与配套企业之间紧密合作，形成产业链配套，为各项技术创新与改进工作提供基本的配套设施支持，帮助区域构建区域合作配套企业模式。在配套企业中，中国宝安、佛山照明等均是可以选择的企业，同时这些企业存在一定的技术竞争力，比如，中国宝安具有正极材料和负极材料的生产技术。