锂电池行业发展趋势分析， 百亿蓝海市场新征程
来源：宝鄂实业
2019-03-18 11:16
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锂离子电池是实现商业化应用的二次电池电池
锂离子电池按工作性质可以分为一次电池和二次电池。一次电池是不可循环使用的电池;二次电池则以多次充放电、循环使用，如先后实现商业化应用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。锂离子电池是指分别使用两种不同的能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正极与负极的二次电池。
电池充电时，正极的锂原子电离为带正电荷的锂离子和电子。带正电的锂离子从正极出发，穿过薄膜后来到负极，并在负极与电子合成锂原子。电池放电时则完全相反，锂离子从负极材料表面电离为锂离子和电子，其中带正电荷的锂离子从负极出发，穿过薄膜后来到正极，并与电子合成锂原子。
锂电池上游产业主要包括锂原材料、正极材料、负极材料、电解液、隔膜以及生 产设备等。
锂离子电池的下游应用主要有动力电池、3C电池和储能电池，由于目前储能电池市场暂未打开，规模较小。
中国是锂离子电池主要的生产国之一。数据显示，2014年，中国锂离子电池产量达52.87亿只，占全球总产量比重达到71.2%，已连续十年位居全球首位。2016年，我国锂离子电池年产量达到78.42亿只，相比2010年的26.87亿只增长约3倍，年复合增长率为19.54%。
锂电池行业发展趋势分析 百亿蓝海市场新征程
消费电池为大应用领域，2012年占比88.4%，到2016年下降到49.84%。但仍然是我国大应用领域;动力电池异军突起，2012年占比6.94%，到2016年上升到45.08%，发展潜力巨大;储能电池尚待发力，2012年占比4.62%，到2016年占比5.08%，增长有待提升。
锂电池梯次利用潜力巨大
锂电池在工业储能电池占比进一步提高。锂电池比能量和能量密度高、自放电率低、无记忆效应且对环境无污染，各方面性能优于其他储能电池类型。
梯次利用+拆解回收，百亿蓝海市场新征程
从需求角度来看，动力锂电池退役回收后带来的梯次利用端储能供应可以被市场完全消化。预测2020年我国新增光伏装机量79.5GW，考虑可再生能源发电配备储能系统占光伏新能源发电装置新增装机量5%-20%，容量功率比为2-4 倍，可以推算出2020年新增可再生能源发电配备储能系统需求可达23.85GW。
根据前瞻产业研究院预测，2025年我国年度新增的梯次利用潜在规模将会达到33.6GWh。电网对削峰填谷经济性的需求、分布式光伏装机量的爆发式增长、电动汽车储能充电站布局的速度加快等应用场景都助推梯次利用的需求不断攀升。
未来消费电子需求增长将稳定在较低水平，储能领域的装机增量较小，而动力电池需求将是推动锂电池行业高增速长的主要动力。
电池通过分解化学物质来发电。自从1799年意大利物理学家亚历山德罗·沃尔塔(Alessandro Volta)发明了电池，用来解决关于青蛙的争论以来，每块电池都有相同的关键部件：两个金属电极——带负电的阳极和带正电的阴极，由被称为电解质的物质隔开。当电池连接到电路时，阳极中的金属原子会发生化学反应。它们失去一个电子，变成带正电荷的离子，并通过电解质被吸引到正极。与此同时，电子（也带负电荷）则会流向阴极。但是它并没有通过电解质，而是通过电路在电池的外部传播，为它连接的设备供电。
阳极上的金属原子最终会耗尽，此时意味着电池耗尽电量。但在可充电电池中，可以通过充电来逆转这一过程，从而迫使离子和电子回到原位，准备再次启动循环之旅。纯金属制成的电极无法承受原子不断进出的压力而不发生坍缩，因此可充电电池必须使用组合材料，使阳极和阴极通过重复的充电循环保持形状。这种结构可被比作公寓建筑，其中有用于反应性元素的“房间”。可充电电池的性能在很大程度上取决于你能以多快的速度在这些房间里进出，而不会导致建筑物倒塌。
1977年，年轻的英国科学家斯坦·惠廷汉姆(Stan Whittingham)在新泽西州林登(Linden)的埃克森公司(Exxon)工厂工作，他建造了一个阳极，用铝来形成“公寓街区的墙壁和地板”，用锂作为活性材料。当他给电池充电时，锂离子从阴极移动到阳极，在铝原子之间的空隙中沉淀。当放电时，他们向另一个方向移动，通过电解质回到阴极一侧的空间。
惠廷汉姆发明了世界上第一个可充电的锂电池，这种硬币大小的电池足以为太阳能手表提供动力。但当他试图增加电压（使更多离子进出）或试图制造更大的电池时，它们就会继续燃烧。1980年，在牛津大学工作的美国物理学家约翰·古德诺夫(John Goodenough)取得了突破。古德诺夫是一名基督徒，曾在第二次世界大战中担任美国陆军气象学家，他也是金属氧化物方面的专家。他怀疑，与惠廷汉姆使用的铝化合物相比，肯定有某种物质能为锂提供更坚固的牢笼。
古德诺夫指导两名博士后研究人员系统性地在周期表中摸索，用不同的金属氧化物对锂进行比对，看看在它们崩溃前能从其中抽出多少锂。最终，他们确定了锂和钴的混合物，后者是遍布非洲中部的蓝灰色金属。锂钴氧化物可以承受半数锂被拉出的极限。当它被用作阴极时，这代表了电池技术向前迈出了一大步。钴是一种更轻便、廉价的材料，既适用于小型设备也适用于大型设备，而且大大优于市场上的其他材料。
如今，古德诺夫的阴极几乎出现在地球上的所有掌上设备中，但他并没有从中赚到一分钱。牛津大学拒绝申请专利，他本人也放弃了这项权利。但它改变了可能发生的事情。1991年，经过10年的修修补补，索尼将古德诺夫的锂钴氧化物阴极与碳阳极结合在一起，试图改善其新型CCD-TR1摄像机的电池续航时间。这是第一款用于消费产品的可充电锂离子电池，它改变了整个世界。
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名员工。当这家电动汽车公司于2003年成立时，电池能量密度稳步提高已经持续了十年，每年的提高幅度约为7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基发现锂离子电池的性能开始趋于平稳。在过去的七八年里，科学家们不得不竭尽全力去争取哪怕是0.5%的电池性能提高。
当时的进步主要来自工程和制造业的改进。伯迪切夫斯基说:“在现代化学反应被使用27年后，它们不断接受提炼。”材料更加纯净，电池制造商已经能够通过使每层都变得更薄的方式将更活跃的材料装入相同的空间中。伯迪切夫斯基称之为“从罐子里吸出空气”。但这也有其自身风险。现代电池由极薄的阴极、电解质和阳极材料的交替层组成，与铜和铝电荷收集器紧密地结合起来，将电子带出电池，送到需要的地方。
在许多高端电池中，塑料隔膜位于阴极和阳极之间，用来防止它们接触和短路，其厚度仅为6微米（约为人类头发厚度的1/10），这使它们很容易受到挤压损伤。这就是航空公司的安全视频现在为何警告称，如果你的手机掉进了机械装置里，不要试图调整座位。
对锂离子电池的每一次改进，都需要权衡取舍。提高能量密度会降低安全性，引入快速充电可能降低电池的循环寿命，这意味着电池的性能下降得更快。锂离子的潜力正在接近其理论极限。自从古德诺夫的突破以来，研究人员一直在试图寻找下一个飞跃，包括通过系统性地审视电池的四个主要组成部分——阴极、阳极、电解质和分离器，并使用越来越复杂的工具。
克莱尔·格雷(Clare Grey)是古德诺夫在牛津大学的学生，他始终在研究锂-空气电池，即用空气中的氧气充当另一个电极。从理论上讲，这些电池提供了巨大的能量密度，但要让它们可靠地充电，并且持续时间超过几十个周期，在实验室里已经够困难的了，更不用说在现实世界肮脏而不可预知的空气中了。
尽管格雷声称最近取得了突破，但由于上述问题，研究团体的注意力主要转向了锂-硫电池。它为锂离子提供了更便宜、更强大的替代品，但科学家们始终在努力阻止其在阴极上形成的树突（cathode），以及在阳极上的硫磺因重复充电而溶解。索尼声称已经解决了这一问题，并希望到2020年将含有锂-硫电池的消费类电子产品推向市场。
在曼彻斯特大学，材料学家刘旭清(Xuqing Liu)是那些试图从碳阳极中挤出更多能量的人之一，他将类似于石墨烯的二维材料结合起来，以便扩大表面积，从而增加锂原子的数量。刘旭清把它比作增加一本书的页数。这所大学还投资建造干燥的实验室，这将使其研究人员能够安全、轻松地交换不同的元件，以测试不同的电极和电解质的组合。
令人难以置信的是，即使古德诺夫本人也在研究这个问题。去年，94岁的他发表了一篇论文，描述了一种容量是现有锂离子电池三倍的电池。这受到广泛质疑。一位研究人员说:“如果是古德诺夫之外的其他人发表了这篇文章，我可能就要骂娘。”
但是，尽管有成千上万的论文发表，数十亿美元的资金投入，数十家创业公司成立并提供资金支持，自1991年以来，我们大部分消费电子产品的基本化学功能几乎没有改变。在成本、性能和消费性电子产品的便携性方面，还没有什么能够取代锂钴氧化物和碳的组合。iPhoneX的电池的原理几乎和索尼的第一台便携式摄像机一样。
因此，2008年，伯迪切夫斯基从特斯拉离开，开始专注于研究新的电池化学反应。他对寻找石墨阳极的替代品尤其感兴趣，他认为这是制造更好电池的最大障碍。伯迪切夫斯基说:“石墨的使用已经有六七年了，它现在基本上是用在电池的热力学容量上。”2011年，他与特斯拉的前同事亚历克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亚理工学院材料学教授格莱布·尤辛（Gleb Yushin）共同创立了Sila Nanotechnologies。他们在阿拉米达的湾区办公室有开放式布局，以雅达利游戏命名的会议室，还有充满熔炉和燃气管道的工业实验室。
