新能源动力锂电池产业化发展面临的困境及对策

朱玉春，万福成，戚逸飞

(1.信阳职业技术学院 汽车与机电工程学院，河南 信阳 464000；2.信阳职业技术学院 科研处，河南 信阳 464000;3.信阳职业技术学院 基础医学部，河南 信阳 464000)

从20世纪90年代初正式开始商业化应用以来，锂电池由于具有绿色环保、循环寿命长、能量密度高、工作电压高等方面特性，成为新一代电动汽车的理想动力源。新能源汽车等使用的电池被称为新能源动力电池，它是一个高能量载体，既要应对高温、高湿、高原、高寒、崎岖路面、涉水等环境，又要能够提供持续大电流输出的稳定性、安全性，并且可多次循环使用。这些都对新能源电池技术的发展和商业化应用提出了严峻的挑战，可以预测，未来动力电池必然向着高性能、低成本、长寿命方向发展。

1 新能源动力锂电池国内外市场化应用现状

目前，全球新能源动力电池行业参与者主要集中在德国、美国、中国、日本、韩国。从新能源动力电池的市场应用功能角度看，在动力电池三大性能指标中，欧美等发达国家侧重于动力电池的高温安全性，而我国侧重于初始容量和续航能力[1]。这一功能特征的国内外偏向直接影响着全球动力锂电池的市场占配比。在参阅相关文献数据情况下，本文总结了2020-2021年全球动力锂电池装机量(见图1)[2]。

图1 全球动力锂电池厂商2020-2021年装机量

由图1可知，在2021年全球新能源车型销量翻番增长至650万辆的背景下，全球动力锂电池的装机量大幅提升，各大厂商均呈现不同程度的大幅增长，中国企业涨幅最高，增长率平均值约177%，远超国外企业。在2021年装机量排名前十的企业中，中企占6家、韩企占3家、日企占1家。

根据数据统计可知，2021年全球新能源动力锂电池排名前十的动力电池厂商的市场占有率达到91.2%，市场集中度进一步提高，其中排名前三的为宁德时代、LG化学、松下电器。高端市场几乎被日本和韩国企业垄断，包括电池材料制备、电芯制造、模组设计及设备制造等。不过，值得关注的是，在中国政府的大力扶持下，我国新能源动力锂电池行业有了飞速发展，它们正逐渐缩小与日韩企业的差距[3]。其中，排名前五的分别是宁德时代、比亚迪、中创新航、国轩高科、远景动力[4]，而宁德时代和比亚迪两家最具代表性，宁德时代主要研究和发展三元高镍电池，比亚迪则选择磷酸铁锂电池。

锂离子电池作为一个复杂的电化学体系，研究中涉及物理、化学、材料、能源以及电子等多个学科和领域。提升电池性能，需要多学科、产业上下游之间互相配合，对整个电池体系中的各个组成部分进行优化，这样的任务仅仅靠电池厂商自身难以完成[5]。同时，动力锂电池市场的主流选择必然是安全性更高、续航能力更强、价格更优惠的产品。目前，在初始容量、循环次数、安全性三大性能方面，国内涌现出一批实验室新技术、新成果，但是这些经过验证和鉴定的实验室科研成果走向市场化的过程非常艰辛，特别是在大批量产业化生产的过程中存在一些制约因素和瓶颈。

2 新能源动力锂电池产业化的困境

2.1 新能源动力锂电池产业化的技术困境

实验室研制动力锂电池为小批量的生产制作，可以比较容易地达成物质的混合均匀度和反应的完全度。但放大到吨级正极材料制备时，就必须对制造工艺进行革新，这样势必会与实验室制备工艺存在差异。因此，在动力锂电池提产能、控成本的过程中，能否保证其电池性能与实验室产品一致，就成了工业化生产的重中之重。许多学者已经认识到了这些问题，闫哲洋对LiMnO2等正极材料产业化做了工艺改进研究，提出对水热法制备LiMnO2过程中通过改变温度条件、pH环境和水热时间，并在反映过程中掺杂Ce、Fe元素等方式提高生产率[6]。王峰对电解液产业化研究得出，对新型锂盐的开发将能够解决现有LiPF6热稳定性较差和难以回收利用的缺陷[7]。陆皓、刘柏男等提出目前锂电池负极材料采用的人造石墨、改性天然石墨存在开采困难、易造成污染等问题[8]，对新型负极材料的研发有助于提高动力锂电池的能量密度和安全性。随着国内研究的不断深入，能否保持自身产业链与时俱进、不断优化，才是生产厂商应该解决的首要问题。

除制造工艺需要革新之外，在动力锂电池正极材料的量产过程中，如何在各种外在不可控因素和设备误差的影响下实现良好的混合率，成为了生产厂商必将面对的技术难题。张音通过对三元锂电池NCM523正极材料制备工艺进行研究，发现在制备NCM前驱体的过程中，对材料进料和搅拌速率、反应pH值环境等条件加以优化，并进行适度的金属或非金属元素掺杂改性能够提高材料的电化学性能，而且合成方法工序简单效果良好，为三元锂电池NCM材料的大规模工业化生产提供了新的思路[9]。王淑一在对三元锂电池NCM622正极材料前驱体制备的研究中得出，以1000W微波辅助的共沉淀法制备的NCM622前驱体，在650℃下烧结并保温9h，得到的正极材料经电化学测试后具有良好的容量保持率[10]。此方法具有可操作性强，对设备要求适中，可控因素多等优点，能够为高镍三元锂动力电池的量产提供参考。对动力三元锂电池正极材料的生产过程而言，前驱体的制备是整个制备过程的核心，而如何在前驱体的多种新制备工艺中寻找工艺革新和经济效益的平衡点，才是生产厂商成功摆脱技术困境的关键所在。

2.2 新能源动力锂电池产业化的经济困境

科技成果产业化融资难问题，归根结底在于科技研究项目周期性长、情况多变且复杂，而且投资主体无法借助现有成果或量化指标来预测市场预期，这种高风险正与资本逐利的天性相矛盾。这就使其产业化面临着某些经济困境，主要体现在缺少科技金融投资平台和科技成果转移转化的经济激励。实验室产品批量生产之前，需要数以亿计的资金去完成制备工艺的革新试验，以保证产品的质量，但是少有扶持动力锂电池产业化发展的科技金融投资平台，金融资本公司也很少参与产品产业化的试验投资。另外，实验室科研成果的产权属于高校或科研院所，在成果转移转化方面，缺少对科研人员的经济激励和保障，致使其参与产品产业化的意愿和主动性不强。

2.3 新能源动力锂电池产业化的制度困境

动力锂电池产业化的制度困境，主要体现在产业发展的制度保障、知识产权保护、科研成果转移转化制度和平台建设等方面。欧美商业发达，市场化程度高，产业发展的主流模式是风投公司进行资本运作，国家政策给予必要的辅助政策，政府、企业、资本三方一体协同助推新技术、新产品、新材料的商业化、市场化。中外制度环境不同，欧美产业发展的金融模式难以在我国实现本土化，我国又缺乏产业发展的保障制度。中国的知识产权研究开始得比较晚，知识产权保护还处于发展中阶段，因而在知识产权保护方面显得有些薄弱。针对万亿级的动力电池市场规模，一种动力锂电池正极材料的成功研制和民用，对于动力电池的全球市场版图格局改变就是颠覆性的，其带来的社会价值和经济价值也是不可估量的。

针对现有动力锂电池产业化发展的外部竞争环境，在扶持产业发展的政策上，要求政府加大对于科技创新知识产权的鼓励和保护力度，不断完善科技成果转移转化制度建设，充分调动科研人员的积极性、主动性，建立“人才、技术、资本、市场”互联互通的科技成果转移转化平台，将实验室科技成果的科研价值高效地转化成市场经济价值，最大程度地调动促进技术市场化的各个元素，加速电池技术的不断革新。

3 新能源动力锂电池产业化困境的解决对策

3.1 优化设计实施方案

在新能源动力锂电池初步研发设计阶段，一方面，要将市场需求牵引与自身的基础研究结合起来，既明确了研究的方向，又为将来的批量生产打下良好铺垫，充分的转化科研价值为市场经济价值；另一方面，在因子组合、配方设计和制造工艺方面，对接现有市场的工艺水平和设备情况，探究动力锂电池批量生产的可行性，寻找最优实施方案，提高成果转化的成功概率。

3.2 建立健全产业化发展的投融资制度

面对新能源动力锂电池的研制周期长、投入大的困境，可以建立并完善动力锂电池产业化发展的投融资制度，成立技术交易市场软平台，引入多样化的资本，尤其是国外优质资本，在分散投资风险的同时，加速资源向我国宁德时代等优势企业集中，推动动力锂电池产业全链条企业的发展壮大，助推企业并购重组和产业结构调整，为民营企业的发展提供广阔的发展空间，也为动力锂电池走向国际市场打下坚实的基础。

3.3 营造完善的产业化制度环境

探索新能源动力电池成果转移转化市场运作的体制、机制和模式，全方位、多角度加大对科技成果和知识产权的鼓励和保护力度、市场监督力度，完善科技成果转移转化的管理体系、制度体系和服务支撑体系，增强科研人员与政府、企业、资本的协同创新能力，推动新技术、新成果、新材料高效融入市场经济发展创新体系。建立完善的转移转化结果评价体系，发现科技成果转移转化的主要问题和矛盾焦点，调整政策和制度，增强优势并补足短板，充分调动科研人员参与成果转化的积极性，让科技成果更好地服务于社会发展。

我国从“十五”规划就开始设立“电动汽车重大科技专项”，联合企业、高校以及科研机构对关键技术进行科技攻关，加快推进新能源汽车产业高质量发展，其产业化的体量也在逐步扩大。中国作为汽车产销量双高的国家，自然会成为全球新能源汽车发展的核心力量，新能源汽车产业正逐步从培育期迈入加速发展的新阶段。在产业化发展的过程中，新能源动力电池产业参与主体必须将产品性能和安全性放到首位，准确把握产业化发展的方向，才能在市场竞争中经久不败。就目前来看，锂离子电池仍然是新能源动力电池领域最佳的解决方案，不过其动力电池负极、隔膜等技术革新对其性能提升作用有限，动力电池产业化发展的矛盾焦点主要集中在正极材料的研发、测试和量产等方面。虽然正极材料的研发制备已经有一批成熟的实验室成果，但是其大批量量化生产面临着诸多的中试试验和安全性测试，周期长、投入大、风险高，而市场方面又缺少扶持产业发展的投融资模式。但我们深信，在强大的市场需求和竞争的驱动下，必然会迫使参与主体不断进行电池技术的创新和进步，或者说，随着能源革命的持续演进，动力电池产业必将迎来发展的春天。