從諾貝爾化學(xué)獎看鋰電子電池應(yīng)用趨勢新變化

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。

報道稱，77歲的美國化學(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，因為在“鋰離子電池”領(lǐng)域的突出貢獻，被授予2019年諾貝爾化學(xué)獎。

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，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。

從手機到電動汽車，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)生和演進的？在全球市場中，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

鋰離子電池是化學(xué)如何改變?nèi)藗兩畹囊粋€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，帶正電的鋰離子會從陽極傳遞到陰極，并按形成電流的方式釋放電子流。電池充電時，鋰離子向相反方向流動，使電池復(fù)位以重新進行充電。

電池的起源始于1970年的石油危機。隨之而來的價格上漲和全美的汽油短缺刺激了人們對替代能源和節(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。這個想法行得通，但惠廷漢姆的電池版本非常不穩(wěn)定，長時間使用后容易爆炸。

圖：鋰離子電池原理示意圖。

盡管如此，與當(dāng)時的酸基電池相比還是有很大的進步?；萃h姆對《紐約時報》記者表示：“這項技術(shù)的最大優(yōu)勢在于，鋰離子存儲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歲的古德諾對媒體的感言中，這樣寫道：“我不知道電氣工程師會如何使用電池。我真的沒想到手機，便攜式攝像機、汽車動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

從下游應(yīng)用市場看，鋰電池主要分為動力電池、儲能電池和3C電池三個領(lǐng)域。鋰電池代表企業(yè)主要有寧德時代、比亞迪、國軒高科、德賽電池等。

據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所（GGII）調(diào)研報告顯示，去年中國3C鋰電池產(chǎn)量同比下降2.15%，達31.8GWh。未來兩年，3C鋰電池的年復(fù)合增長率為7.87%，預(yù)計到2021年，中國3C電池產(chǎn)量將達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、可穿戴設(shè)備、無人機等領(lǐng)域帶動，成為數(shù)碼電池市場的主要增長點。

在智能手機領(lǐng)域，鋰電子電池正在發(fā)揮巨大優(yōu)勢。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，其充電界面顯示為華為智能手機，這款手機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年我國手機電池的市場供給大于需求3.06億只左右。未來，手機電池將朝體積小、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)用于手機電池。

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

智能手機的普及增加手機的耗電量，加快了對快充技術(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間，因此保證能量密度的情況下，提高鋰電池對于快速充電的容受能力是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

5G手機耗電量數(shù)倍于4G手機，多電芯電池也成為一種趨勢。解決手機耗電量逐漸增大的另一解決方案，超長待機時間使得雙電芯方案可能成為電池發(fā)展的下一個領(lǐng)域。據(jù)悉，5G手機比4G手機耗電明顯增多，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廠商分布影響，中國手機電池主要產(chǎn)能分布在廣東、江蘇、福建、山東、浙江五省。手機電池在廣東發(fā)展最好，廣東省手機電池產(chǎn)量占比手機電池產(chǎn)量優(yōu)勢省份達到了83%。以德賽電池為例，這是國內(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。

動力電池高速發(fā)展，新能源車帶動效應(yīng)明顯。受新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶動，2017年-2018年，中國動力電池保持高速增長。據(jù)GGII調(diào)研統(tǒng)計，去年，中國動力電池市場產(chǎn)量同比增長46.07%，達65GWh，是鋰電池產(chǎn)業(yè)中占比最大的細分領(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。寧德時代是中國最大動力電池廠，今年上半年，其動力電池裝機量達13.8GWh，國內(nèi)市占率高達46%。根據(jù)《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，動力電池單體能量密度達到300Wh/kg以上，力爭實現(xiàn)350Wh/kg，系統(tǒng)能量密度力爭達到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下。但行業(yè)現(xiàn)狀是，依靠三元鋰電池實現(xiàn)2020年系統(tǒng)能量密度達到260Wh/kg的目標，目前僅寧德時代的NCM811有可能勝任。

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

據(jù)外媒報道，特斯拉正在美國弗里蒙特工廠附近的“秘密實驗室”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)儲備。在此之前，特斯拉的動力電池供應(yīng)一直依賴于日本的合作伙伴松下。

儲能電池市場方興未艾。目前在儲能電池市場，主要有三大應(yīng)用領(lǐng)域：電力儲能、家用儲能以及基站儲能，家庭儲能借著特斯拉掀起的“能源家庭”浪潮，有較大的進一步發(fā)展擴容的空間，但目前主要集中在美國、德國、澳洲和日本等海外地區(qū)，國內(nèi)仍處于發(fā)展初期。

在全球市場上，日前，特斯拉承諾將在澳洲建設(shè)全球最大電池儲能系統(tǒng)，馬斯克也剛剛在財報電話會議上宣布特斯拉太陽能屋頂正式進駐第一批用戶屋頂，宜家則開始在英國出售家用太陽能電池板和儲能電池，這也更進一步標志了“儲能”環(huán)節(jié)在新能源產(chǎn)業(yè)中的重要地位。中國儲能類鋰離子電池領(lǐng)域雖然市場空間巨大，但目前受成本、技術(shù)等因素限制，仍處于市場導(dǎo)入期。