鋰電池行業(yè)發(fā)展趨勢分析， 百億藍(lán)海市場新征程
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 11:16
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鋰離子電池是實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的二次電池電池
鋰離子電池按工作性質(zhì)可以分為一次電池和二次電池。一次電池是不可循環(huán)使用的電池;二次電池則以多次充放電、循環(huán)使用，如先后實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。鋰離子電池是指分別使用兩種不同的能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正極與負(fù)極的二次電池。
電池充電時，正極的鋰原子電離為帶正電荷的鋰離子和電子。帶正電的鋰離子從正極出發(fā)，穿過薄膜后來到負(fù)極，并在負(fù)極與電子合成鋰原子。電池放電時則完全相反，鋰離子從負(fù)極材料表面電離為鋰離子和電子，其中帶正電荷的鋰離子從負(fù)極出發(fā)，穿過薄膜后來到正極，并與電子合成鋰原子。
鋰電池上游產(chǎn)業(yè)主要包括鋰原材料、正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜以及生 產(chǎn)設(shè)備等。
鋰離子電池的下游應(yīng)用主要有動力電池、3C電池和儲能電池，由于目前儲能電池市場暫未打開，規(guī)模較小。
中國是鋰離子電池主要的生產(chǎn)國之一。數(shù)據(jù)顯示，2014年，中國鋰離子電池產(chǎn)量達(dá)52.87億只，占全球總產(chǎn)量比重達(dá)到71.2%，已連續(xù)十年位居全球首位。2016年，我國鋰離子電池年產(chǎn)量達(dá)到78.42億只，相比2010年的26.87億只增長約3倍，年復(fù)合增長率為19.54%。
鋰電池行業(yè)發(fā)展趨勢分析 百億藍(lán)海市場新征程
消費電池為大應(yīng)用領(lǐng)域，2012年占比88.4%，到2016年下降到49.84%。但仍然是我國大應(yīng)用領(lǐng)域;動力電池異軍突起，2012年占比6.94%，到2016年上升到45.08%，發(fā)展?jié)摿薮?儲能電池尚待發(fā)力，2012年占比4.62%，到2016年占比5.08%，增長有待提升。
鋰電池梯次利用潛力巨大
鋰電池在工業(yè)儲能電池占比進(jìn)一步提高。鋰電池比能量和能量密度高、自放電率低、無記憶效應(yīng)且對環(huán)境無污染，各方面性能優(yōu)于其他儲能電池類型。
梯次利用+拆解回收，百億藍(lán)海市場新征程
從需求角度來看，動力鋰電池退役回收后帶來的梯次利用端儲能供應(yīng)可以被市場完全消化。預(yù)測2020年我國新增光伏裝機量79.5GW，考慮可再生能源發(fā)電配備儲能系統(tǒng)占光伏新能源發(fā)電裝置新增裝機量5%-20%，容量功率比為2-4 倍，可以推算出2020年新增可再生能源發(fā)電配備儲能系統(tǒng)需求可達(dá)23.85GW。
根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，2025年我國年度新增的梯次利用潛在規(guī)模將會達(dá)到33.6GWh。電網(wǎng)對削峰填谷經(jīng)濟性的需求、分布式光伏裝機量的爆發(fā)式增長、電動汽車儲能充電站布局的速度加快等應(yīng)用場景都助推梯次利用的需求不斷攀升。
未來消費電子需求增長將穩(wěn)定在較低水平，儲能領(lǐng)域的裝機增量較小，而動力電池需求將是推動鋰電池行業(yè)高增速長的主要動力。
電池通過分解化學(xué)物質(zhì)來發(fā)電。自從1799年意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)發(fā)明了電池，用來解決關(guān)于青蛙的爭論以來，每塊電池都有相同的關(guān)鍵部件：兩個金屬電極——帶負(fù)電的陽極和帶正電的陰極，由被稱為電解質(zhì)的物質(zhì)隔開。當(dāng)電池連接到電路時，陽極中的金屬原子會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它們失去一個電子，變成帶正電荷的離子，并通過電解質(zhì)被吸引到正極。與此同時，電子（也帶負(fù)電荷）則會流向陰極。但是它并沒有通過電解質(zhì)，而是通過電路在電池的外部傳播，為它連接的設(shè)備供電。
陽極上的金屬原子最終會耗盡，此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉(zhuǎn)這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準(zhǔn)備再次啟動循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進(jìn)出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽極和陰極通過重復(fù)的充電循環(huán)保持形狀。這種結(jié)構(gòu)可被比作公寓建筑，其中有用于反應(yīng)性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐男阅茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進(jìn)出，而不會導(dǎo)致建筑物倒塌。
1977年，年輕的英國科學(xué)家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他建造了一個陽極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當(dāng)他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當(dāng)放電時，他們向另一個方向移動，通過電解質(zhì)回到陰極一側(cè)的空間。
惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽能手表提供動力。但當(dāng)他試圖增加電壓（使更多離子進(jìn)出）或試圖制造更大的電池時，它們就會繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學(xué)工作的美國物理學(xué)家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔(dān)任美國陸軍氣象學(xué)家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質(zhì)能為鋰提供更堅固的牢籠。
古德諾夫指導(dǎo)兩名博士后研究人員系統(tǒng)性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進(jìn)行比對，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍(lán)灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當(dāng)它被用作陰極時，這代表了電池技術(shù)向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料，既適用于小型設(shè)備也適用于大型設(shè)備，而且大大優(yōu)于市場上的其他材料。
如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的所有掌上設(shè)備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學(xué)拒絕申請專利，他本人也放棄了這項權(quán)利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經(jīng)過10年的修修補補，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結(jié)合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續(xù)航時間。這是第一款用于消費產(chǎn)品的可充電鋰離子電池，它改變了整個世界。
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當(dāng)這家電動汽車公司于2003年成立時，電池能量密度穩(wěn)步提高已經(jīng)持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學(xué)家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。
當(dāng)時的進(jìn)步主要來自工程和制造業(yè)的改進(jìn)。伯迪切夫斯基說:“在現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經(jīng)能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風(fēng)險?，F(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質(zhì)和陽極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結(jié)合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。
在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現(xiàn)在為何警告稱，如果你的手機掉進(jìn)了機械裝置里，不要試圖調(diào)整座位。
對鋰離子電池的每一次改進(jìn)，都需要權(quán)衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統(tǒng)性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質(zhì)和分離器，并使用越來越復(fù)雜的工具。
克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學(xué)的學(xué)生，他始終在研究鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當(dāng)另一個電極。從理論上講，這些電池提供了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且持續(xù)時間超過幾十個周期，在實驗室里已經(jīng)夠困難的了，更不用說在現(xiàn)實世界骯臟而不可預(yù)知的空氣中了。
盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團體的注意力主要轉(zhuǎn)向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強大的替代品，但科學(xué)家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復(fù)充電而溶解。索尼聲稱已經(jīng)解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產(chǎn)品推向市場。
在曼徹斯特大學(xué)，材料學(xué)家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結(jié)合起來，以便擴大表面積，從而增加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數(shù)。這所大學(xué)還投資建造干燥的實驗室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測試不同的電極和電解質(zhì)的組合。
令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質(zhì)疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”
但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產(chǎn)品的基本化學(xué)功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產(chǎn)品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學(xué)反應(yīng)。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認(rèn)為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經(jīng)有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學(xué)容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學(xué)院材料學(xué)教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達(dá)的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達(dá)利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃?xì)夤艿赖墓I(yè)實驗室。
