一、電池發(fā)展史

01.從伏特堆到鋰離子電池

1799年，意大利物理學(xué)家Alessandro Volta發(fā)明了第一款電池（Vlotaic Pile伏特堆），他利用鋅片（陽(yáng)極）和銅片（陰極）以及浸濕鹽水的紙片（電解液）制成了電池，以證明了電是可以人為制造出來(lái)的。 大約40年后，以為英國(guó)化學(xué)家John Frederic Daniel通過(guò)變換電池形式，解決了伏特堆放電時(shí)產(chǎn)生的氫氣氣泡問(wèn)題（由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部接觸不良），此時(shí)電池可以達(dá)到1V電壓。 1850年，法國(guó)物理學(xué)家Gaston Planté發(fā)明了鉛酸電池（陽(yáng)極為鉛、陰極為鉛氧化物、硫酸溶液為電解質(zhì)），利用鉛不僅僅做到了極低的成本，還能夠提供12V的電壓，且能夠充電循環(huán)使用，這類電池被廣泛使用，車載蓄電池、早期電動(dòng)車等都采用這類電池。1899年，瑞典人Waldemar Jungner發(fā)明了鎳鎘電池（鎳為陰極、鎘為陽(yáng)極，采用液體電解液），為現(xiàn)代電子科技打下了基礎(chǔ)。由于其化學(xué)特性的原因，如果未用完電量就充電，會(huì)發(fā)生“鎘中毒”現(xiàn)象，導(dǎo)致電池“記憶”了“最低電量”，導(dǎo)致下次充滿電量縮小，所以漸漸就被市場(chǎng)淘汰了。 1950年前后，加拿大工程師Lewis Urry發(fā)明了現(xiàn)在非常常見的堿性電池，就是平時(shí)生活中常用的一次性電池，絕大多數(shù)都是不可充電的，當(dāng)然也有特殊設(shè)計(jì)的堿性電池能夠充電，甚至還能夠通過(guò)按壓電池表面顯示當(dāng)前電量。 1989年，第一款商業(yè)鎳氫電池問(wèn)世（陽(yáng)極為金屬氫化物或儲(chǔ)氫合金、陰極為氫氧化鎳），耗時(shí)超過(guò)20年研發(fā)，由戴姆勒-奔馳和德國(guó)大眾贊助。通過(guò)新的配方，鎳氫電池相較于鎳鎘電池提高了能量密度，并且污染減少。更重要的一點(diǎn)，鎳氫電池沒(méi)有“記憶效應(yīng)”，所以不必像鎳鎘電池一樣擔(dān)心使用問(wèn)題。 1991年，索尼公司推出了第一款商業(yè)鋰離子電池（陽(yáng)極為石墨，陰極為鋰化合物，電極液為鋰鹽溶于有機(jī)溶劑），由于鋰電池的高能量密度和配方不同能夠適應(yīng)不同使用環(huán)境的特點(diǎn)，被現(xiàn)在廣泛使用。

上述多種電池歷經(jīng)近200年的發(fā)展才走到鋰電池階段，其目的就是為了更為輕便、小巧、能量更高，鋰離子電池在能量密度、循環(huán)壽命方面以及高、低溫性能顯著的提升，彌補(bǔ)了其他二次電池在消費(fèi)電池領(lǐng)域的痛點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著對(duì)可再生能源利用的巨大需求和對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的日益關(guān)注，二次電池（又稱可充電電池或蓄電池）這種能夠?qū)⑵渌问侥芰哭D(zhuǎn)換成的電能預(yù)先以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)下來(lái)的儲(chǔ)能技術(shù)，在新一輪能源變革中迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

02.鋰離子電池的前世今生

鋰離子電池于二十世紀(jì)七十年代在歐洲開啟研究，1991年在日本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，目前，全球鋰離子電池的生產(chǎn)制造規(guī)模達(dá)到了空前水平，2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)給予了鋰離子電池極高的肯定。

能夠可逆循環(huán)的鋰離子電池正極材料有錳酸鋰、鈦酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等一系列三元衍生體。但由于大部分能量性能相對(duì)較低，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池相對(duì)其他種類有較大優(yōu)勢(shì)，是動(dòng)力電池的良好選擇。

鋰離子電池的分類

（1）鈷酸鋰電池：高比能量使鈷酸鋰成為手機(jī)，筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)的熱門選擇。鈷酸鋰的缺點(diǎn)是壽命相對(duì)較短，熱穩(wěn)定性低和負(fù)載能力有限。鈷酸鋰采用石墨負(fù)極，其循環(huán)壽命主要受到固體電解質(zhì)界面(SEI)的限制，主要表現(xiàn)在SEI膜的逐漸增厚，和快速充電或者低溫充電過(guò)程的負(fù)極鍍鋰問(wèn)題。

（2）錳酸鋰電池：錳酸鋰的功率大但是容量小，容量大約比鈷酸鋰低三分之一。同時(shí)遠(yuǎn)比鈷酸鋰電池更安全，通常與鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)混合，以提高比能量并延長(zhǎng)壽命。

（3）鈦酸鋰電池：鈦酸鋰的標(biāo)稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，并提供10C的高放電電流。循環(huán)次數(shù)高于常規(guī)鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)。鈦酸鋰是安全的，具有出色的低溫放電特性。

（4）鎳鈷錳酸鋰電池（NCM）：最成功的鋰離子體系之一是鎳錳鈷的正極組合。與錳酸鋰類似，這個(gè)體系可以定制用作能量電池或功率電池。NMC是電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車和其他電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的首選電池。鎳基系統(tǒng)比鈷基電池具有更高的能量密度，更低的成本和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，但是它們的電壓略低。

（5）鎳鈷鋁酸鋰電池（NCA）：NCA是鋰鎳氧化物的進(jìn)一步發(fā)展，加入鋁賦予電池更好的化學(xué)穩(wěn)定性。高能量密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動(dòng)力系統(tǒng)的候選者。高成本和低安全性卻有負(fù)面的影響。

（6）磷酸鐵鋰電池：磷酸鋰具有良好的電化學(xué)性能和低電阻。這是通過(guò)納米級(jí)磷酸鹽陰極材料實(shí)現(xiàn)的。主要優(yōu)點(diǎn)是高額定電流和長(zhǎng)循環(huán)壽命；良好的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了安全性和過(guò)充承受能力。磷酸鋰具有比其他鋰離子電池更高的自放電，這可能會(huì)引起老化進(jìn)而帶來(lái)均衡問(wèn)題。

二、新型金屬電池技術(shù)發(fā)展

01. 鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展

1991年索尼推出第一款商業(yè)液態(tài)鋰離子電池后，液態(tài)鋰離子電池進(jìn)入快速發(fā)展階段。處于對(duì)更高能量密度和更高安全性的追求，各國(guó)都在加緊對(duì)新型電池技術(shù)的研發(fā)以期占領(lǐng)技術(shù)高地。動(dòng)力電池作為鋰電池最大的應(yīng)用場(chǎng)景，2020年中國(guó)車用動(dòng)力電池出貨量為80GWh，同比增長(zhǎng)12.7%，占中國(guó)鋰電池市場(chǎng)56%的份額，遠(yuǎn)超其他應(yīng)用終端。鋰電池雖為目前最佳選擇，但能量密度其實(shí)已經(jīng)接近極限，所以對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池的改進(jìn)主要集中在提高電池空間利用率和降低成本上，其中對(duì)于三元鋰離子電池，還要集中處理熱失控引起的爆炸問(wèn)題。

1.1 三元鋰電池?zé)崾Э貑?wèn)題改進(jìn)

三元電池由于密度更高，熱穩(wěn)定性相對(duì)差，某些極端環(huán)境下容易發(fā)生熱失控起火，成為電池企業(yè)安全技術(shù)必須邁過(guò)的一道坎。所以在動(dòng)力電池安全技術(shù)開發(fā)上，車企和主流電池企業(yè)開始將目標(biāo)集中投向“三元電池系統(tǒng)不起火”。

1.2 無(wú)模組化電池通過(guò)提高空間利用率提升能量密度

模組主要是單體電芯通過(guò)串并聯(lián)方式，加保護(hù)線路板及外殼后，構(gòu)成能夠直接供電的組合體，是單體電芯與PACK的中間產(chǎn)品。模組導(dǎo)致電池包成組效率降低和成本增加、重量增加、成組效率低帶來(lái)系統(tǒng)能量密度低。模組與PACK材料在動(dòng)力電池系統(tǒng)的成本占比超過(guò)20%。無(wú)模組化精簡(jiǎn)模組與PACK端結(jié)構(gòu)，減重降本效果顯著。

寧德時(shí)代推出CTP技術(shù)，CTP電池包體積利用率提高了15%-20%，電池包零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升了50%，電池包能量密度提升了10%-15%，可達(dá)到200Wh/kg以上，大幅降低動(dòng)力電池的制造成本。 比亞迪推出刀片電池，實(shí)質(zhì)是省略了電芯-模組的步驟，省去了橫梁、縱梁以及螺栓等結(jié)構(gòu)件，將電池包殼體內(nèi)部的空間利用率由原來(lái)的40%-50%提升到60%-80%。在電芯制備過(guò)程的良率和一致性達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，生產(chǎn)成本相比傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池包預(yù)計(jì)下降30%。

1.3 摻硅補(bǔ)鋰：硅負(fù)極的應(yīng)用難度大，補(bǔ)鋰的安全與技術(shù)成熟度是瓶頸。不過(guò)，目前很多企業(yè)都官宣摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)可以看出，兩種技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)應(yīng)該得到一定程度上的解決。或許近兩年內(nèi)，采用摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)的電池產(chǎn)品將會(huì)大規(guī)模上市，同時(shí)也是300Wh/kg電池產(chǎn)品的普及階段。

1.4 固態(tài)電池

固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池最大的不同在于電解質(zhì)，傳統(tǒng)鋰電池采用隔膜+電解液中間含有液態(tài)物質(zhì)，而固態(tài)電池則是用固體電解質(zhì)。相比傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的安全性更好，能量密度更高。目前已經(jīng)在使用或接近商用的固態(tài)電池的電解質(zhì)有：聚合物、硫化物和氧化物三種，其中氧化物電解質(zhì)性能最優(yōu)。氧化物和硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池能量密度高于采用相同正負(fù)極材料的傳統(tǒng)鋰電池。 氧化物電解質(zhì)的穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長(zhǎng)（可達(dá)1000次）以上，能量密度較高，倍率性能較好，同時(shí)成本較低。主要缺陷是界面接觸問(wèn)題尚未完美解決。氧化物電解質(zhì)比較適合動(dòng)力電池，其制造工藝和改性水平也在穩(wěn)步提升。氧化物固態(tài)電池電解質(zhì)物料價(jià)格低廉且電芯易組裝，封裝成本低。只要解決氧化物電解質(zhì)大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)問(wèn)題，固態(tài)電池的量產(chǎn)成本可以與液態(tài)電池相媲美。

1.5 分析

由于鋰元素特性的限制，目前鋰離子電池的能量密度已接近極限，現(xiàn)有研究的主要成果是無(wú)模組化（CTP技術(shù)和刀片電池）、摻硅補(bǔ)鋰和固態(tài)電池。隨著人們對(duì)里程焦慮的緩解，磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)份額會(huì)逐漸增加，高端車仍會(huì)使用三元鋰電池保證高續(xù)航里程。

傳統(tǒng)鋰離子電池與新技術(shù)對(duì)比

01.鋰離子電池作為目前世界上市場(chǎng)容量占比最高的電池，在新能源動(dòng)力汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用，但因?yàn)槿囯姵氐陌踩珕?wèn)題以及磷酸鐵鋰電池的能量密度不高，所以在傳統(tǒng)的鋰離子電池基礎(chǔ)上，很多公司對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。同時(shí)由于鋰電池的資源以及分布不均的限制，僅靠鋰離子電池這一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)并不能全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，難以同時(shí)支撐起電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此研究以非鋰金屬或其他原料為材料的新型電池也成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

02.鈉離子電池成本優(yōu)勢(shì)明顯，有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用

03.鉀離子電池研究處于起步階段，短期無(wú)法技術(shù)突破

04.金屬空氣電池

4.1 鋰空氣電池潛力巨大，在新能源、儲(chǔ)能以及航天軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量電池技術(shù)，理論能量密度高達(dá)11680Wh/kg，是現(xiàn)有的可充電電池體系中最高的，遠(yuǎn)超過(guò)鋰電池目前200+Wh/kg的實(shí)際能量密度，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧，被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)電池領(lǐng)域中未來(lái)的顛覆技術(shù)。 盡管鋰-空氣電池具有最高的理論能量密度，但目前存在諸多的問(wèn)題，如循環(huán)壽命、倍率性能、環(huán)境適應(yīng)性等限制了其實(shí)用化進(jìn)程，暫時(shí)還無(wú)法實(shí)用化。

05. 氫燃料電池技術(shù)有產(chǎn)業(yè)性突破，前景光大

06. 核電池成本極高，不適用于民用領(lǐng)域

三、分析及結(jié)論

（6）核電池具有能源充足、壽命極長(zhǎng)、不受外界環(huán)境影響等優(yōu)勢(shì)，是太空飛行的最佳能源。但由于其安全性和成本的問(wèn)題，在民用領(lǐng)域普及推廣具有極大難度。

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（來(lái)源：動(dòng)力電池網(wǎng)）