详解锂离子电池的机遇和挑战

锂离子电池从应用场景划分大致可以分为三大领域：3C 类电子产品(计算机类、通信类和消费类电子)，电动交通工具以及规模静态储能，由于应用场景不同，其对锂离子电池综合性能指标需求也存在较大差异，因此目前锂离子电池在不同应用领域的成熟度和市场占有程度也不尽相同。总的而言，在3C电子产品领域锂离子电池几乎占据了全面市场，而在电动车交通工具方面，锂离子电池主导的动力电池市场不断扩大，目前在电动汽车应用领域已经处于主导地位，未来随着锂离子电池成本持续下降和性能的不断提高，电动汽车的性价比有望在2024 年超越燃油汽车，从而实现汽车的全面电动化。除此之外，近几年电动交通工具开始不再局限在总系统能量需求相对较小的新能源电动车(１—100 kWh)，而开始向系统能量在MWh级以上的电动船舶和电动轨道交通扩张，尽管目前电动船舶和电动轨道交通在经济性并没有优势，但在节能减排、绿色环保方面优势突出，因此在某些特殊领域和地域开始有了商业示范。2018 年11 月12 日，由广船国际建造的全球首艘2000 吨级新能源纯电动船在广州广船国际龙穴造船基地吊装下水，该船总长70.5 m，安装有重达26 t 的超级电容+超大功率的锂电池，整船电池容量约为2.4 MWh，船舶在满载条件下，航速最高可达12.8 km/h，续航力可达80 km。近些年开始有了在电动飞机方面的初步尝试，但是由于飞机这种航空交通工具对自重要求极高，因此目前的锂电池能量密度还远远无法满足商用客机的要求。2019 年12 月澳大利亚Harbour Air 航空公司的一架全电动DHC-2(DHC-2 de Havilland Beaver)水上飞机进行试飞，尽管受到动力电池能量密度和自重限制飞行只持续了不到15分钟，但确是全电动商业民航客机的首次飞行测验。初步估算未来如果想实现1000 km的支线客机的电动化，动力电池重量能量密度需要至少在现有的基础上再提高一倍(> 600 Wh/kg)。因此交通工具的全面电动化无疑在未来将是锂离子电池的巨大机遇，与此同时也是锂离子电池的巨大挑战，如何在现有基础上保持其他性能不降低的同时实现能量密度的大幅提高将是未来决定锂离子电池在动力电池领域发展的决定性关键因素。

 

 

锂离子电池除了在电动交通工具方面具有广阔的前景外，其未来大规模储能方面也存在巨大的应用潜力。随着我国能源转型的不断深入，有望实现能源供给安全可控、能源生产清洁低碳和能源消费高效环保的目标。我国将持续提高非化石可再生能源在我国一次能源总量中的占比，预计到2035 年可再生能源将突破我国一次能源重量的35 %，而可再生能源中主要依托的风能和太阳能属于间歇式能源，需要高比例的储能装置与之搭配使用。从目前看未来，锂离子电池将会在大规模储能方面尤其是促进可再生能源消纳和分布式储能方面起到关键支撑作用；在调节电网频率和调峰方面也将起到重要作用，逐步降低我国对火力发电的依赖；此外，锂离子电池储能技术在用户侧储能可以实现更好的供需平衡调节。预计未来15 年将会在规模储能领域孕育出一个100 GWh级的锂离子电池市场。届时借助先进的5G技术、人工智能和大数据以及区块链技术在能源方面的促进作用，我国将初步形成先进的智能电网，电动车将逐步从现有的无序充电到有序充电再到智能充电V2G，从而实现电动车与规模储能高效互动互补的新型能源供给模式(图6)。但是要实现这一美好景象的前提是需要开发出具有足够技术经济性、长寿命、安全性的锂离子电池体系，在动力电池方面考虑到未来实现车网互动的V2G技术，锂离子动力电池在循环寿命上需要继续提高，目前动力电池循环寿命普遍在1000 周左右，未来如果将电动汽车作为移动储能装置，循环寿命需要提高到3000 次以上，这对于高能量密度锂离子电池而言是一个不小的技术挑战。此外，在大规模静态储能方面，锂离子电池不但需要满足高安全性的要求，而且需要具备比现有抽水蓄能技术更高性价比。因此如何开发出下一代安全、高能量密度和长寿命的动力电池以及安全、高效、低成本、大规模和长寿命的储能电池将是决定锂离子电池在相关动力电池和储能市场成功与否的关键。

 

 

目前商用化的锂离子电池由于采用了可燃的有机物作为液体电解质，其在电池滥用及发生事故导致热失控的情况下存在重大安全隐患，存在着起火爆炸现象。而这一现象又随着系统能量的增加，破坏力显著增加。未来如何开发出本质安全的锂离子电池将是决定锂离子电池发展的另外一个决定性因素，从目前全球范围研发方向看，采用固态电解质替代有机可燃液体电解质是未来锂离子电池发展的一个主流趋势，但如何解决固态替换液态电解质所带来的一系列科学和技术问题，仍需要一段较长时间的努力。