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編者按：與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，固態(tài)鋰離子電池具有一些關(guān)鍵優(yōu)勢。這其中包括非常高的能量密度，緊湊的電池尺寸，以及快速充電的可能性，而沒有形成電池枝晶的風(fēng)險。電池市場研發(fā)支出的主要部分（約90％）由移動通信部門推動，并正在向電動汽車行業(yè)轉(zhuǎn)變。作為一個快速發(fā)展的行業(yè)，其使用周期為四到五年，汽車廠商通常傾向于使用最新和最好的電池產(chǎn)品，重點是降低成本。

鋰離子電池及其變種是當今最常用的電池，它在所有應(yīng)用的電池類型中占有40%的份額，而且由于電動汽車和消費電子產(chǎn)品使用量的增加，這個數(shù)字有望得到進一步增長。


由于鋰離子電池在移動電子產(chǎn)品、消費類電子產(chǎn)品、海洋和國防行業(yè)領(lǐng)域特殊應(yīng)用的重要性日益增加，行業(yè)廠商正在對這項技術(shù)進行大量的研究。以下是鋰離子電池技術(shù)的一些最新進展和趨勢，預(yù)計將對電池市場產(chǎn)生重大影響：

固態(tài)鋰離子電池

固態(tài)鋰離子電池是當今儲能行業(yè)最活躍討論的話題之一。它是鋰離子電池技術(shù)的一個變種，使用固體電解質(zhì)代替液體/聚合物電解質(zhì)。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，固態(tài)鋰離子電池具有一些關(guān)鍵優(yōu)勢。這其中包括非常高的能量密度，緊湊的電池尺寸，以及快速充電的可能性，而沒有形成電池枝晶的風(fēng)險。鋰離子電池的這些優(yōu)點使得該技術(shù)對于汽車行業(yè)而言有利可圖，而汽車行業(yè)正在尋找能夠承受極高充電率的電池，從而縮短電動汽車的充電時間，并減少汽車的空間需求。這就是一些主要汽車制造商使用這些電池的原因。寶馬公司正在考慮將固態(tài)鋰離子電池用于他們的新車型，豐田公司計劃到2022年生產(chǎn)采用固態(tài)鋰離子電池的汽車。展望未來，這些鋰離子電池將廣泛應(yīng)用在電動汽車中。

非銅陽極

另一個最新進展是電池的非銅陽極。自20世紀90年代以來，主要是石墨涂層的銅被用作鋰離子電池的陽極。兩種類型陽極有可能替代銅陽極。

鈦酸鋰（LTO）陽極：鈦酸鋰（LTO）陽極具有更高的功率密度，并且可以提供比銅更多的充電/放電循環(huán)次數(shù)。這些陽極在較低電壓下工作，并提供更低的能量密度。這使它們成為空間受限較小但需要高充電/放電率的應(yīng)用的理想選擇。一個例子可能是應(yīng)用在需要高功率密度（頻率調(diào)節(jié)、可再生集成）的電網(wǎng)中，可以將多塊電池在系統(tǒng)中組合，而不會受到空間的嚴格限制。最近，東芝公司發(fā)布了其50Ah這種類型電池的原型。該公司聲稱它將在5000次循環(huán)充放電后可以保留90％的產(chǎn)能。

硅陽極：正在研究的另一種類型是涂有石墨的硅陽極。這種陽極技術(shù)具有高能量密度和額定功率的潛力，同時有望降低成本。三星SDI公司和松下公司已經(jīng)在使用這項技術(shù)。然而，這項技術(shù)仍處于早期階段，需要比鈦酸鋰（LTO）陽極更長的上市時間。

NMC-811陰極主導(dǎo)鋰離子電池市場

鎳錳鈷（NMC）陰極將越來越多地取代鋰鐵磷酸鹽（LFP）和鋰鈷氧化物（LCO）陰極。到目前為止，使用這種混合陰極材料是源于對鈷的更高需求。然而，NMC-811（8份鎳、1份錳、1份鈷）電池對鈷的依賴性降低，為制造商提供了強大的優(yōu)勢。許多公司現(xiàn)在正在向NMC-811電池轉(zhuǎn)型。例如，LG Chem公司和SK Innovation公司正在提高其NMC-811電池的生產(chǎn)能力，而特斯拉公司已經(jīng)在其Tesla Powerwall中使用這種陰極技術(shù)。

石墨烯是一種納米材料，正在越來越多地研究用于電池。石墨烯的一些優(yōu)良的性質(zhì)（如硬度、柔韌性和極高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性）使其適用于電池。最近，三星SDI公司在其“石墨烯球技術(shù)”方面取得了突破，其中陽極和陰極均覆蓋有石墨烯包覆二氧化硅的保護層。三星SDI公司聲稱，使用這項技術(shù)可將電池容量提高約45％，同時將充電時間縮短5倍。日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)推出了磷封裝納米管電極。聲稱它們在實驗期間具有加倍的充電容量，并且電池在重復(fù)充電后保持高結(jié)構(gòu)完整性。

定制單元和模塊

最近出現(xiàn)的一個新興市場是設(shè)計和制造用于特殊應(yīng)用的定制鋰離子電池和模塊。用于移動電子產(chǎn)品和消費電子產(chǎn)品的鋰離子電池只是市場的一部分。而在機器人、船舶、國防等行業(yè)領(lǐng)域有著各種各樣的應(yīng)用，采用標準鋰離子電池不能滿足要求。像Customcells和Cell-con這樣的電池制造商正專注于這個不斷增長的利基市場，并與客戶合作生產(chǎn)從原型到制造階段的特定應(yīng)用的電池模塊。

原材料供應(yīng)

電池制造商面臨的另一個限制因素是原材料采購。鋰離子電池中使用的主要原料是鋰、鈷、石墨、鎳和鋁。其中，鋰和鈷被認為是稀缺的。但這種擔(dān)心真的有必要嗎？

鈷：幾乎所有鈷都是作為其他儲藏更豐富的金屬（如鎳或銅）副產(chǎn)品開采的。這意味著其生產(chǎn)主要由主要金屬的市場驅(qū)動，而不是對鈷的需求。這種情況限制了生產(chǎn)商根據(jù)需求變化調(diào)整開采鈷的靈活性，并可能導(dǎo)致供應(yīng)過?；蚨倘?。從2009年到2015年，全球鈷產(chǎn)量高于消費量，因為新項目的生產(chǎn)以及從擴張到現(xiàn)有業(yè)務(wù)的生產(chǎn)都增加了全球供應(yīng)。然而，隨著電池需求的增加，市場供應(yīng)受到限制，到2016年中期，情況發(fā)生了變化。而在2018年這種情況并沒有改變。行業(yè)觀察家預(yù)測，這將持續(xù)到2020年。

剛果民主共和國（DRC）是全球主要的鈷產(chǎn)地。根據(jù)歐盟或美國的調(diào)查，該國擁有51%-53％的供應(yīng)量。其次是中國、俄羅斯、加拿大和澳大利亞，各占5-6%。


自2016年中期以來，金屬鈷的價格一路飆升，達到每噸8萬多美元。回顧一下，這類似2008年的發(fā)展，當時剛果民主共和國暫停出口金屬鈷，其價格上漲至11.5萬美元/噸，然后在取消禁令之后，鈷的價格繼續(xù)推高。其最新的例子是2018年1月出口稅從2％上調(diào)至10％。然而，對于許多電動汽車來說，鈷的價格正在降低。這可以證實，因為中國是電動車應(yīng)用鋰鈷氧化物（LCO）電池的主要用戶，現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向采有由錳酸鋰LMO、鎳鈷鋁（NCA）和鎳猛鈷(NMC)組成的三元電池。在鎳猛鈷(NMC)電池中，NMC-811混合電池產(chǎn)生的二氧化碳比NMC-622混合電池少50%，在過去六個月內(nèi)，LG Chem公司和NK Innovation公司建立了新的生產(chǎn)線，使其成為主流產(chǎn)品。

鋰：在最近的各種調(diào)查中，鋰被列為臨界或近臨界元素之一。1975年至2005年期間，世界鋰產(chǎn)量增長了約5倍，預(yù)計供應(yīng)基礎(chǔ)將進一步增長。雖然鋰主要產(chǎn)于澳大利亞，但鋰三角區(qū)（阿根廷、智利、玻利維亞）擁有世界上75％的鋰資源。

鋰元素并不稀有，全球鋰資源估計超過3900萬噸，這足以滿足到2100年的預(yù)期需求。此外，為了滿足日益增長的鋰需求，人們正在進行各種各樣的嘗試，例如從廢舊電池中回收鋰，用鈉代替鋰來生產(chǎn)鈉離子電池。在世界大部分地區(qū)，鈉比鋰容易獲得。

廢舊電池回收

值得一提的一個重要趨勢是，人們越來越關(guān)注廢舊電池的回收利用。電動汽車快速發(fā)展將產(chǎn)生大量的可以回收利用的廢舊電池。據(jù)估計，到2030年，全球?qū)⒂?100萬噸鋰離子電池可回收利用。歐盟已經(jīng)出臺了一些法規(guī)，要求電池制造商為收集、處理和回收電池的成本提供資金，從而將電池回收作為一個優(yōu)先事項。到目前為止，歐盟只有5%的電池被回收利用?；厥针姵赜卸喾N利用方式。在某些情況下，對包括鈷和鎳在內(nèi)的稀有金屬進行熱處理，并對鋰金屬進行進一步加工。在其他情況下，電池在使用之后再進行翻新/再造，以便在另一個應(yīng)用中重復(fù)使用。例如，根據(jù)電動汽車行業(yè)的數(shù)據(jù)，汽車上的廢舊電池仍然是原有容量的80%左右。這些電池可直接用于家庭儲能系統(tǒng)或不間斷電源的其他應(yīng)用中，其處理量更小。日產(chǎn)公司已經(jīng)與伊頓集團合作，將其汽車電池重新用于家庭儲能應(yīng)用。

誰在主導(dǎo)研發(fā)？

電池市場研發(fā)支出的主要部分（約90％）由移動通信部門推動，并正在向電動汽車行業(yè)轉(zhuǎn)變。作為一個快速發(fā)展的行業(yè)，其使用周期為四到五年，汽車廠商通常傾向于使用最新和最好的電池產(chǎn)品，重點是降低成本。在這種情況下，由于大多數(shù)電池是由電池生產(chǎn)廠商制造的，因此這些電池生產(chǎn)廠商在研發(fā)上花費大量資金進一步開發(fā)和改進技術(shù)。通過與這些電池制造商合作，其他終端應(yīng)用也可以利用這些技術(shù)進步。

例如，電網(wǎng)行業(yè)可以利用汽車行業(yè)的進步，或者正如以上所述，電池的應(yīng)用從電動汽車轉(zhuǎn)到電網(wǎng)。在電網(wǎng)行業(yè)廠商需要與電動汽車廠商開展更多合作，以便充分利用電池技術(shù)。特別是隨著電動汽車的增加，電網(wǎng)和汽車行業(yè)之間的重疊性正在增加?；陔妱悠嚨诫娋W(wǎng)的解決方案的試點項目部署越來越多，其重點關(guān)注頻率調(diào)節(jié)和調(diào)峰等應(yīng)用。例如加利福尼亞州的Oxygen Initiative公司和荷蘭的Tennet-Vandebron公司達成的合作伙伴關(guān)系。

下表比較了電網(wǎng)和汽車行業(yè)的電池需求。幾乎在所有情況下，汽車行業(yè)比電網(wǎng)更嚴格的要求。這表明同樣的電池技術(shù)也可以用于電網(wǎng)領(lǐng)域，從而避免從零開始投入大量的研發(fā)成本。


在某些情況下，這種合作已經(jīng)進行。例如，特斯拉公司的電動汽車為其Powerwall儲能系統(tǒng)提供電池。未來可能會有更多的汽車原始設(shè)備制造商提供類似的解決方案，或與電網(wǎng)廠商合作，為替代市場提供解決方案。人們相信，最終的市場贏家將是那些擁有更多合作關(guān)系的公司，而不僅僅是那些擁有最好技術(shù)的公司。

電池市場的供應(yīng)

盡管對電池的需求不斷增加，但電池單元制造能力的利用率相對較低。在全球范圍內(nèi)，電池生產(chǎn)工廠的利用率為60-70％。隨著電動汽車和電網(wǎng)儲能需求的增加，這一點在未來有望得到改善。然而，考慮多個大規(guī)模電池生產(chǎn)工廠開通運營，預(yù)計最大利用率將保持在80％以下，如下圖所示。


從供應(yīng)角度來看，亞洲制造商占據(jù)主導(dǎo)地位，LG Chem（韓國）、松下（日本）、三星SDI（韓國）、AESC（日本）、比亞迪（中國）和寧德時代（中國）占有約三分之二的市場份額。然而，為了減少對亞洲電池制造商的依賴，越來越多的企業(yè)尋求在歐洲獲得電池產(chǎn)品。德國BMZ集團和瑞典Northvolt等公司正在建立新的或擴大現(xiàn)有的制造設(shè)施，以滿足歐洲鋰離子儲能解決方案不斷增長的需求。下圖顯示了2017年各個生產(chǎn)制造商的市場份額：

2017年全球電池生產(chǎn)廠商的市場份額


原標題：鋰離子電池的演變：從電動汽車到電網(wǎng)