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的。 大約40年后，以為英國化學(xué)家John Frederic Daniel通過變換電池形式，解決了伏特堆放電時產(chǎn)生的氫氣氣泡問題（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），此時電池可以達到1V電壓。 1850年，法國物理學(xué)家Gaston Planté發(fā)明了鉛酸電池（陽極為鉛、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)計的堿性電池能夠充電，甚至還能夠通過按壓電池表面顯示當(dāng)前電量。 1989年，第一款商業(yè)鎳氫電池問世（陽極為金屬氫化物或儲氫合金、陰極為氫氧化鎳），耗時超過20年研發(fā)，由戴姆勒-奔馳和德國大眾贊助。通過新的配方，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，鎳氫電池沒有“記憶效應(yīng)”，所以不必像鎳鎘電池一樣擔(dān)心使用問題。 1991年，索尼公司推出了第一款商業(yè)鋰離子電池（陽極為石墨，陰極為鋰化合物，電極液為鋰鹽溶于有機溶劑），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，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，彌補了其他二次電池在消費電池領(lǐng)域的痛點。

近年來，隨著對可再生能源利用的巨大需求和對環(huán)境污染問題的日益關(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)能的形式存儲下來的儲能技術(shù)，在新一輪能源變革中迎來新的發(fā)展機遇。

02.鋰離子電池的前世今生

鋰離子電池于二十世紀七十年代在歐洲開啟研究，1991年在日本實現(xiàn)商業(yè)化，目前，全球鋰離子電池的生產(chǎn)制造規(guī)模達到了空前水平，2019年的諾貝爾化學(xué)獎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較低，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池相對其他種類有較大優(yōu)勢，是動力電池的良好選擇。

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，筆記本電腦和數(shù)碼相機的熱門選擇。鈷酸鋰的缺點是壽命相對較短，熱穩(wěn)定性低和負載能力有限。鈷酸鋰采用石墨負極，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程的負極鍍鋰問題。

（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。同時遠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壽命。

（3）鈦酸鋰電池：鈦酸鋰的標稱電池電壓為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，這個體系可以定制用作能量電池或功率電池。NMC是電動工具，電動自行車和其他電動動力系統(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動力系統(tǒng)的候選者。高成本和低安全性卻有負面的影響。

（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。這是通過納米級磷酸鹽陰極材料實現(xiàn)的。主要優(yōu)點是高額定電流和長循環(huán)壽命；良好的熱穩(wěn)定性，增強了安全性和過充承受能力。磷酸鋰具有比其他鋰離子電池更高的自放電，這可能會引起老化進而帶來均衡問題。

二、新型金屬電池技術(shù)發(fā)展

01. 鋰離子電池的進一步發(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)鋰離子電池進入快速發(fā)展階段。處于對更高能量密度和更高安全性的追求，各國都在加緊對新型電池技術(shù)的研發(fā)以期占領(lǐng)技術(shù)高地。動力電池作為鋰電池最大的應(yīng)用場景，2020年中國車用動力電池出貨量為80GWh，同比增長12.7%，占中國鋰電池市場56%的份額，遠超其他應(yīng)用終端。鋰電池雖為目前最佳選擇，但能量密度其實已經(jīng)接近極限，所以對于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池的改進主要集中在提高電池空間利用率和降低成本上，其中對于三元鋰離子電池，還要集中處理熱失控引起的爆炸問題。

1.1 三元鋰電池?zé)崾Э貑栴}改進

三元電池由于密度更高，熱穩(wěn)定性相對差，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)必須邁過的一道坎。所以在動力電池安全技術(shù)開發(fā)上，車企和主流電池企業(yè)開始將目標集中投向“三元電池系統(tǒng)不起火”。

1.2 無模組化電池通過提高空間利用率提升能量密度

模組主要是單體電芯通過串并聯(lián)方式，加保護線路板及外殼后，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、成組效率低帶來系統(tǒng)能量密度低。模組與PACK材料在動力電池系統(tǒng)的成本占比超過20%。無模組化精簡模組與PACK端結(jié)構(gòu)，減重降本效果顯著。

寧德時代推出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%，可達到200Wh/kg以上，大幅降低動力電池的制造成本。 比亞迪推出刀片電池，實質(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的40%-50%提升到60%-80%。在電芯制備過程的良率和一致性達到穩(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)計下降30%。

1.3 摻硅補鋰：硅負極的應(yīng)用難度大，補鋰的安全與技術(shù)成熟度是瓶頸。不過，目前很多企業(yè)都官宣摻硅補鋰技術(shù)可以看出，兩種技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化難點應(yīng)該得到一定程度上的解決?；蛟S近兩年內(nèi)，采用摻硅補鋰技術(shù)的電池產(chǎn)品將會大規(guī)模上市，同時也是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（可達1000次）以上，能量密度較高，倍率性能較好，同時成本較低。主要缺陷是界面接觸問題尚未完美解決。氧化物電解質(zhì)比較適合動力電池，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模組化（CTP技術(shù)和刀片電池）、摻硅補鋰和固態(tài)電池。隨著人們對里程焦慮的緩解，磷酸鐵鋰電池的市場份額會逐漸增加，高端車仍會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)對比

01.鋰離子電池作為目前世界上市場容量占比最高的電池，在新能源動力汽車和儲能領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用，但因為三元鋰電池的安全問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，很多公司對其結(jié)構(gòu)進行了改進。同時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儲能技術(shù)并不能全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，難以同時支撐起電動汽車和電網(wǎng)儲能兩大產(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競爭焦點。

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

03.鉀離子電池研究處于起步階段，短期無法技術(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、儲能以及航天軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。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11680Wh/kg，是現(xiàn)有的可充電電池體系中最高的，遠超過鋰電池目前200+Wh/kg的實際能量密度，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧，被廣泛認為是一項電池領(lǐng)域中未來的顛覆技術(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題，如循環(huán)壽命、倍率性能、環(huán)境適應(yīng)性等限制了其實用化進程，暫時還無法實用化。

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、不受外界環(huán)境影響等優(yōu)勢，是太空飛行的最佳能源。但由于其安全性和成本的問題，在民用領(lǐng)域普及推廣具有極大難度。

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（來源：動力電池網(wǎng)）