從諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)看鋰電子電池應(yīng)用趨勢(shì)新變化

本文原創(chuàng)，作者：章鷹，電子發(fā)燒友執(zhí)行副主編。

10月9日中午，瑞典皇家科學(xué)院將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的約翰·B·古德諾（John B. Goodenough），賓漢姆頓大學(xué)的斯坦利·惠廷漢姆（M. Stanley Whittingham）和日本名城大學(xué)的吉野彰（Akira Yoshino），以表彰其在鋰電池發(fā)展上所做的貢獻(xiàn)。

報(bào)道稱，77歲的美國(guó)化學(xué)家斯坦利·惠廷漢姆、97歲的約翰B·古德諾以及71歲的日本化學(xué)家吉野彰，因?yàn)樵凇?a target="_blank">鋰離子電池”領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，被授予2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

鋰離子電池是近幾十年來技術(shù)革命的基石。持久的可充電電池使手機(jī)，筆記本電腦和其他設(shè)備得以存在。它們可以按比例放大以驅(qū)動(dòng)汽車或房屋。它們甚至被用于可再生能源。它們還能夠小型化并用于植入式起搏器之類的設(shè)備中。

從手機(jī)到電動(dòng)汽車，幾乎所有的東西都可以找到可充電的鋰離子電池，它們可以存儲(chǔ)來自太陽能和風(fēng)能的大量能量。這些今天看來是最流行的鋰離子電池應(yīng)用，在基礎(chǔ)研究當(dāng)中是怎樣發(fā)生和演進(jìn)的？在全球市場(chǎng)中，在主要的三大應(yīng)用領(lǐng)域近期正在發(fā)生哪些變化？

鋰離子電池基礎(chǔ)研究的起因和關(guān)鍵點(diǎn)

鋰離子電池是化學(xué)如何改變?nèi)藗兩畹囊粋€(gè)很好的例子，鋰離子電池由從一種材料到另一種材料的鋰離子流供電。使用電池時(shí)，帶正電的鋰離子會(huì)從陽極傳遞到陰極，并按形成電流的方式釋放電子流。電池充電時(shí)，鋰離子向相反方向流動(dòng)，使電池復(fù)位以重新進(jìn)行充電。

電池的起源始于1970年的石油危機(jī)。隨之而來的價(jià)格上漲和全美的汽油短缺刺激了人們對(duì)替代能源和節(jié)能的研究。這也刺激了斯坦利·惠廷漢姆研究超導(dǎo)體。一路上，他發(fā)現(xiàn)了一種富含能量的材料，稱為二硫化鈦，該材料在分子水平上有空間容納鋰離子。他創(chuàng)造了一種電池，其中陽極的一部分由金屬鋰制成。這個(gè)想法行得通，但惠廷漢姆的電池版本非常不穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間使用后容易爆炸。

圖：鋰離子電池原理示意圖。

盡管如此，與當(dāng)時(shí)的酸基電池相比還是有很大的進(jìn)步?；萃h姆對(duì)《紐約時(shí)報(bào)》記者表示：“這項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于，鋰離子存儲(chǔ)的能量大約是鉛酸的10倍，或者是鎳鎘的5倍?！?他們也輕得多。因此，行業(yè)應(yīng)用有很大的動(dòng)力轉(zhuǎn)向鋰離子電池?！?/p>

1980年，約翰·B·古德諾完善了這一概念，系統(tǒng)地尋找二硫化鈦的替代品。他發(fā)現(xiàn)氧化鈷可以起到同樣的作用，并產(chǎn)生高達(dá)4伏的電壓，是先前電池的兩倍以上。1985年，吉野公司用層積有鋰離子的石油焦炭代替了電池中的金屬鋰，從而制成了更安全的電池。1991年，這一概念足以商業(yè)化，因此索尼發(fā)布了首款可充電鋰離子電池。

索尼將鈷酸鋰和石墨結(jié)合，開發(fā)出了全新的可充電鋰電池。整個(gè)電池中沒有純鋰，因此安全性得到了很大提升。高性能，低成本，安全性好，這種鋰離子電池一經(jīng)問世立刻受到了歡迎，幫助索尼一躍成為行業(yè)老大。

97歲的古德諾對(duì)媒體的感言中，這樣寫道：“我不知道電氣工程師會(huì)如何使用電池。我真的沒想到手機(jī)，便攜式攝像機(jī)、汽車動(dòng)力電池和其他所有東西?！?/p>

應(yīng)用領(lǐng)域的三大發(fā)展趨勢(shì)

從下游應(yīng)用市場(chǎng)看，鋰電池主要分為動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池和3C電池三個(gè)領(lǐng)域。鋰電池代表企業(yè)主要有寧德時(shí)代、比亞迪、國(guó)軒高科、德賽電池等。

據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所（GGII）調(diào)研報(bào)告顯示，去年中國(guó)3C鋰電池產(chǎn)量同比下降2.15%，達(dá)31.8GWh。未來兩年，3C鋰電池的年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.87%，預(yù)計(jì)到2021年，中國(guó)3C電池產(chǎn)量將達(dá)37GWh。而高端數(shù)碼軟包電池、柔性電池、高倍率電池等將受高端智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、無人機(jī)等領(lǐng)域帶動(dòng)，成為數(shù)碼電池市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。

在智能手機(jī)領(lǐng)域，鋰電子電池正在發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)。新浪微博上某大V表示，日本科學(xué)家吉野彰拿著自己的手機(jī)，其充電界面顯示為華為智能手機(jī)，這款手機(jī)采用的就是鋰離子電池。

據(jù)前瞻研究院的數(shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)手機(jī)電池的市場(chǎng)供給大于需求3.06億只左右。未來，手機(jī)電池將朝體積小、容量大、重量輕、能量密度高的方向發(fā)展。鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）兩類，其中聚合物鋰離子電池主要應(yīng)用于手機(jī)電池。

技術(shù)趨勢(shì)上，快充電池已經(jīng)成為手機(jī)鋰電池的重要發(fā)展方向。比如OPPO推出的65W超級(jí)閃充，讓Reno Ace一躍成為市面上充電速度最夸張的智能手機(jī)。號(hào)稱充電不到30分鐘就能將4000毫安時(shí)電池完全充滿。

智能手機(jī)的普及增加手機(jī)的耗電量，加快了對(duì)快充技術(shù)的要求。目前行業(yè)普遍利用高壓充電增大充電傳輸功率來減少充電時(shí)間，因此保證能量密度的情況下，提高鋰電池對(duì)于快速充電的容受能力是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

5G手機(jī)耗電量數(shù)倍于4G手機(jī)，多電芯電池也成為一種趨勢(shì)。解決手機(jī)耗電量逐漸增大的另一解決方案，超長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間使得雙電芯方案可能成為電池發(fā)展的下一個(gè)領(lǐng)域。據(jù)悉，5G手機(jī)比4G手機(jī)耗電明顯增多，5G芯片耗電量是4G芯片耗電量的2.5倍，這就需要手機(jī)需要更大的電池容量和更好的散熱性能，多電芯電池的使用使得Pack廠大幅受益。

由于受上下游原材料供給和下游手機(jī)廠商分布影響，中國(guó)手機(jī)電池主要產(chǎn)能分布在廣東、江蘇、福建、山東、浙江五省。手機(jī)電池在廣東發(fā)展最好，廣東省手機(jī)電池產(chǎn)量占比手機(jī)電池產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)省份達(dá)到了83%。以德賽電池為例，這是國(guó)內(nèi)最早從事鋰電池封裝集成和電源管理的生產(chǎn)制造企業(yè)。公司客戶包括蘋果、華為、三星、小米等。其中公司在蘋果iPhone系列電源管理方面的份額超過一半。

動(dòng)力電池高速發(fā)展，新能源車帶動(dòng)效應(yīng)明顯。受新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶動(dòng)，2017年-2018年，中國(guó)動(dòng)力電池保持高速增長(zhǎng)。據(jù)GGII調(diào)研統(tǒng)計(jì)，去年，中國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)產(chǎn)量同比增長(zhǎng)46.07%，達(dá)65GWh，是鋰電池產(chǎn)業(yè)中占比最大的細(xì)分領(lǐng)域。

高安全+高比能量，高能量密度三元鋰電池成為廠商研發(fā)重點(diǎn)。寧德時(shí)代是中國(guó)最大動(dòng)力電池廠，今年上半年，其動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)13.8GWh，國(guó)內(nèi)市占率高達(dá)46%。根據(jù)《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，動(dòng)力電池單體能量密度達(dá)到300Wh/kg以上，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)350Wh/kg，系統(tǒng)能量密度力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下。但行業(yè)現(xiàn)狀是，依靠三元鋰電池實(shí)現(xiàn)2020年系統(tǒng)能量密度達(dá)到260Wh/kg的目標(biāo)，目前僅寧德時(shí)代的NCM811有可能勝任。

按照純電動(dòng)乘用車市場(chǎng)，消費(fèi)者需要高比能量電池滿足對(duì)續(xù)航里程的需求，未來高能量密度NCM811電池的需求量仍會(huì)增加。高比能量是發(fā)展趨勢(shì)，但安全問題要特別關(guān)注。

據(jù)外媒報(bào)道，特斯拉正在美國(guó)弗里蒙特工廠附近的“秘密實(shí)驗(yàn)室”研發(fā)自己的鋰離子電池，并開始探索大規(guī)模生產(chǎn)相關(guān)電池產(chǎn)品的技術(shù)儲(chǔ)備。在此之前，特斯拉的動(dòng)力電池供應(yīng)一直依賴于日本的合作伙伴松下。

儲(chǔ)能電池市場(chǎng)方興未艾。目前在儲(chǔ)能電池市場(chǎng)，主要有三大應(yīng)用領(lǐng)域：電力儲(chǔ)能、家用儲(chǔ)能以及基站儲(chǔ)能，家庭儲(chǔ)能借著特斯拉掀起的“能源家庭”浪潮，有較大的進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)容的空間，但目前主要集中在美國(guó)、德國(guó)、澳洲和日本等海外地區(qū)，國(guó)內(nèi)仍處于發(fā)展初期。

在全球市場(chǎng)上，日前，特斯拉承諾將在澳洲建設(shè)全球最大電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，馬斯克也剛剛在財(cái)報(bào)電話會(huì)議上宣布特斯拉太陽能屋頂正式進(jìn)駐第一批用戶屋頂，宜家則開始在英國(guó)出售家用太陽能電池板和儲(chǔ)能電池，這也更進(jìn)一步標(biāo)志了“儲(chǔ)能”環(huán)節(jié)在新能源產(chǎn)業(yè)中的重要地位。中國(guó)儲(chǔ)能類鋰離子電池領(lǐng)域雖然市場(chǎng)空間巨大，但目前受成本、技術(shù)等因素限制，仍處于市場(chǎng)導(dǎo)入期。