动力锂离子电池技术发展概述

动力锂离子电池能量密度高、寿命长等优点使其成为最具实用价值的新能源电动汽车车用电池候选者，而在动力锂离子电池生产过程中，其相关性指标（安全性、容量、内阻、循环寿命等）却互相矛盾，因此电池生产需在装配技术、电池系统成组技术及管理技术的协调下兼顾电极材料、电解液、隔膜的性能，从而使得电池的相关性指标最大程度上发挥协同效应。

（1）动力锂离子电池材料技术

在科技进步、下游市场需求及补贴政策的多重刺激下，动力锂离子电池材料逐渐发生迭代，使得电池整体的性能趋向于高能量密度、高安全性、长寿命和低成本的方向不断实现破。在当前的材料技术水平下，正极材料、负极材料、隔膜及电解液在成本中的占比分别约为40%、15%、20%~30%及10%~15%。

正极材料，作为锂离子电池中最核心部分，其特性关于电池的储能密度、循环寿命、安全性等具有直接影响。2017年我国锂离子电池正极材料产量32.3万吨，同增49.54%。动力锂离子电池中常用的正极材料有磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）和三元材料（例如NCA和NCM）。以上正极材料中，LFP发展较早，其能量密度较低，约130wh/kg~150wh/kg，低温性能较差，例如在-10℃的环境下，一块容量3500mAh的锂离子电池经过100次左右的循环充放电后，其容量将大幅衰减至500mAh，但其分解温度高达800℃，安全性较高，且贵金属含量较低，成本可控，目前较多汽车品牌应用LFP电池，如雪佛兰Volt、日产Leaf、比亚迪E6和FiskerKarma；LCO与LFP电池相比，技术较为成熟，功率高、能量密度大且一致性较高，但安全系数较低，热特性和电特性较差，例如特斯拉所用的18650电池在外电压但凡低于2.7V或高于3.3V，均会出现过热，在应用过程中要严格控制电池电压、电流及温度；三元材料以镍、钴、锰盐为原料，常见的镍钴锰比列为424/333/523/701/515/811，目前以523为主，未来发展趋向于低钴高镍NCM，优点为能量密度较高，约为160wh/kg~200wh/kg，缺点为分解温度较低，约为200℃左右，安全性能低，且因含有贵金属镍、钴和锰，成本略高；LMO价格优势很大，但能量密度最低，为其他正极材料的过渡材料。2017年，我国动力锂离子电池搭载的正极材料国产化率约92%，根据北极星储能网披露数据来看，动力锂离子电池装机中，磷酸铁锂离子电池、三元锂离子电池、锰酸锂离子电池和钛酸锂离子电池占比分别为50%、45%、4%和1%，LFP及三元锂离子电池的装机量占据动力锂离子电池市场的重要份额。从细分车型来看，新能源乘用车及货车细分市场以三元锂离子电池为主、LFP为辅，而新能源客车领域则重要为LFP。

负极材料重要影响电池的安全性和循环性能。2017年我国锂离子电池负极材料产量14.6万吨，同比上升23.7%。理想的负极材料应具有以下特点：

a、与正极材料电化学位差大以提高电池功率；

b、材料层间距相对较大，锂离子嵌入反应所需自由能小，易具有较大的锂离子容量，且嵌入后不膨胀，循环性能好；

c、电极电位不受锂离子嵌入量影响，有利于电池工作电压稳定；

d、热力学稳定性好，不与电解液反应；

e、锂离子在负极材料中的扩散速率高，易于容纳大量的锂离子；

f、石墨化程度越低，SEI[1]膜稳定性越好可防止电解液嵌入电极材料；

g、易制备，成本低。

[1]在锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固-液相界面上发生反应形成的一层覆盖于电极表面的钝化膜，称为固体电解质界面膜（solidelectrolyteinterface，简称SEI膜），其具有固体电解质的特点-对电子绝缘的同时允许Li+透过，SEI膜厚度在100~120nm，其性质受电极表面结构孔隙率及颗粒尺寸影响。

自1965年锂金属被应用于负极材料至今，锂离子电池负极材料重要经历了金属材料、合金材料、氧化物和碳材料（石墨、硬碳和软碳等）四个进化阶段，其中锂金属充放电过程中锂离子在金属表面附着，容易出现锂枝晶而导致起火或爆炸等安全性问题；合金类材料在锂离子嵌入后体积变化较大，SEI膜不稳定，循环性能弱；氧化钼嵌锂所需电位高（0.75V）且容量低（125mAh/g）；石墨负极材料平台电压较为平稳，充放电电位较低，缺点在于比容量低，充放电倍率性能差，与电解液溶剂（尤其碳酸丙烯酯PC）相容性较差，有机溶剂易随锂离子共同嵌入石墨层，导致石墨逐渐剥落、电池循环性能差。因此，后续改进技术将石墨材料表面氧化形成微孔结构以提升其与电解液的相容性，或更换电解液溶剂（碳酸乙烯酯EC）。

电解液在锂离子电池组件中连接正负极材料，同时是锂离子传输的载体，是使电池具备高电压、高比能的关键。2017年，我国电解液产量10.2万吨，同比增速为15.38%。电解液由溶剂、电解质（锂盐）和添加剂组成，其中溶剂具备介电常数高、粘度小、纯度高、吸湿性好等特性易于提高电解液的导电性，工业化常用的溶剂为环状碳酸酯（碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC）及链状碳酸酯（碳酸二甲酯DEC、碳酸甲乙酯MEC和碳酸二乙酯DMC），高导电性溶剂EC、PC易于溶解电解质，而低粘度溶剂DEC、MEC和DMC有利于Li+的运输；电解质为电解液中锂源，部分锂盐由于高温安全性差、导电率低、价格昂贵等原因别摒弃，目前较为应用较多的为六氟磷酸锂LiPF6，但考虑到LiPF6为易水解、热稳定性存在不足，未来芳基硼酸锂和烷基硼酸锂或因其较好的热稳定性及循环性能成为电解质的应用热点；添加剂重要为成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂和多功能添加剂四种。

隔膜是保障电池安全的最重要组件之一，其浸渍在电解液中位于正负极材料之间起到防止正负极材料接触导致短路的用途，同时隔膜应具有热塑性，在高温环境下隔膜发生熔融、微孔关闭从而达到断电目的，因此隔膜通常采用具有绝缘、不溶于有机溶剂、强度高等特性的聚烯烃多孔膜。锂离子可通过隔膜表面的微孔通道完成其在正负极间的流通，因此隔膜材料孔结构、厚度和微孔数量等特性都会影响锂离子穿透速度，进而影响到电池的内阻、放电倍率、循环寿命等性能。隔膜生产工艺重要为干法和湿法两种，其中干法工艺包含单向拉伸和双向拉伸两种工艺。由于湿法工艺所制隔膜较薄，容易击穿导致电池短路，而干法-单向拉伸工艺所制隔膜厚度较厚（20~40um）、孔径均匀、熔点高且稳定性好的特点符合电动汽车对锂离子电池安全性能的要求，但干法隔膜的厚度优势在一定程度上削弱电池的能量密度，因此长期来看改进后的湿法隔膜（例如湿法涂覆隔膜）将成为锂离子电池隔膜未来的发展方向。目前常用的隔膜有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及丙烯-乙烯共聚物等，隔膜产品重要有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP和三层PP/PE/PP等，目前我国尚无将PP/PE双层复合膜的技术，产品重要为双层PP/PP为主，而全球汽车动力锂离子电池使用的隔膜以三层PP/PE/PP、双层PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料产品为主。

（2）动力锂离子电池控制技术

驱动一辆电动汽车要大量电池单体，例如TeslaRoadster和TeslaModelS的电池系统分别包含6831节和8000节18650钴酸锂离子电池。电池单体并联封装成电池砖，电池砖串联成电池片，电池片组成一个电池包，经过三层组装为一个可以为汽车供应动力的电池系统，但数量众多的电池单体组合加剧了其热稳定差、安全系数低的短板，因此要对电池单元、电池砖、电池片每层级设置保险丝，防止电池系统过热或电流过大。从锂离子动力锂电池系统角度看，关键核心技术包括电池成组技术（集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等）、电池管理系统（BMS）电磁兼容技术、信号的精确测量（如单体电压、电流等）技术、电池状态精确估计、电池均衡控制技术等。

3、动力锂离子电池产业链

动力锂离子电池产业链包括上游原材料（钴矿、镍矿、锰矿、锂矿、石墨矿及有机材料）、中游制造及下游应用三个环节，其中中游制造环节包括基础材料生产、动力锂离子电池材料（正极、负极、电解液、隔膜及其他材料）制造、电芯制造及PACK封装。本章节重要分析影响锂离子电池应用的技术指标及锂离子电池全产业链对环境的影响。