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从诺贝尔化学奖看锂电子电池应用趋势新变化

章鹰 来源:电子发烧友原创 作者:章鹰 2019-10-11 09:41 次阅读

本文原创,作者:章鹰,电子发烧友执行副主编。

10月9日中午,瑞典皇家科学院将2019年诺贝尔化学奖授予德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·B·古德诺(John B. Goodenough),宾汉姆顿大学的斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)和日本名城大学的吉野彰(Akira Yoshino),以表彰其在锂电池发展上所做的贡献。

报道称,77岁的美国化学家斯坦利·惠廷汉姆、97岁的约翰B·古德诺以及71岁的日本化学家吉野彰,因为在“锂离子电池”领域的突出贡献,被授予2019年诺贝尔化学奖。

锂离子电池是近几十年来技术革命的基石。持久的可充电电池使手机,笔记本电脑和其他设备得以存在。它们可以按比例放大以驱动汽车或房屋。它们甚至被用于可再生能源。它们还能够小型化并用于植入式起搏器之类的设备中。

从手机到电动汽车,几乎所有的东西都可以找到可充电的锂离子电池,它们可以存储来自太阳能和风能的大量能量。这些今天看来是最流行的锂离子电池应用,在基础研究当中是怎样发生和演进的?在全球市场中,在主要的三大应用领域近期正在发生哪些变化?

锂离子电池基础研究的起因和关键点

锂离子电池是化学如何改变人们生活的一个很好的例子,锂离子电池由从一种材料到另一种材料的锂离子流供电。使用电池时,带正电的锂离子会从阳极传递到阴极,并按形成电流的方式释放电子流。电池充电时,锂离子向相反方向流动,使电池复位以重新进行充电。

电池的起源始于1970年的石油危机。随之而来的价格上涨和全美的汽油短缺刺激了人们对替代能源和节能的研究。这也刺激了斯坦利·惠廷汉姆研究超导体。一路上,他发现了一种富含能量的材料,称为二硫化钛,该材料在分子水平上有空间容纳锂离子。他创造了一种电池,其中阳极的一部分由金属锂制成。这个想法行得通,但惠廷汉姆的电池版本非常不稳定,长时间使用后容易爆炸。

图:锂离子电池原理示意图。

尽管如此,与当时的酸基电池相比还是有很大的进步。惠廷汉姆对《纽约时报》记者表示:“这项技术的最大优势在于,锂离子存储的能量大约是铅酸的10倍,或者是镍镉的5倍。” 他们也轻得多。因此,行业应用有很大的动力转向锂离子电池。”

1980年,约翰·B·古德诺完善了这一概念,系统地寻找二硫化钛的替代品。他发现氧化钴可以起到同样的作用,并产生高达4伏的电压,是先前电池的两倍以上。1985年,吉野公司用层积有锂离子的石油焦炭代替了电池中的金属锂,从而制成了更安全的电池。1991年,这一概念足以商业化,因此索尼发布了首款可充电锂离子电池。

索尼将钴酸锂和石墨结合,开发出了全新的可充电锂电池。整个电池中没有纯锂,因此安全性得到了很大提升。高性能,低成本,安全性好,这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎,帮助索尼一跃成为行业老大。

97岁的古德诺对媒体的感言中,这样写道:“我不知道电气工程师会如何使用电池。我真的没想到手机,便携式摄像机、汽车动力电池和其他所有东西。”

应用领域的三大发展趋势

从下游应用市场看,锂电池主要分为动力电池、储能电池和3C电池三个领域。锂电池代表企业主要有宁德时代、比亚迪、国轩高科、德赛电池等。

据高工产研锂电研究所(GGII)调研报告显示,去年中国3C锂电池产量同比下降2.15%,达31.8GWh。未来两年,3C锂电池的年复合增长率为7.87%,预计到2021年,中国3C电池产量将达37GWh。而高端数码软包电池、柔性电池、高倍率电池等将受高端智能手机、可穿戴设备、无人机等领域带动,成为数码电池市场的主要增长点。

在智能手机领域,锂电子电池正在发挥巨大优势。新浪微博上某大V表示,日本科学家吉野彰拿着自己的手机,其充电界面显示为华为智能手机,这款手机采用的就是锂离子电池。

据前瞻研究院的数据显示,2018年我国手机电池的市场供给大于需求3.06亿只左右。未来,手机电池将朝体积小、容量大、重量轻、能量密度高的方向发展。锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类,其中聚合物锂离子电池主要应用于手机电池。

技术趋势上,快充电池已经成为手机锂电池的重要发展方向。比如OPPO推出的65W超级闪充,让Reno Ace一跃成为市面上充电速度最夸张的智能手机。号称充电不到30分钟就能将4000毫安时电池完全充满。

智能手机的普及增加手机的耗电量,加快了对快充技术的要求。目前行业普遍利用高压充电增大充电传输功率来减少充电时间,因此保证能量密度的情况下,提高锂电池对于快速充电的容受能力是技术发展的关键。

5G手机耗电量数倍于4G手机,多电芯电池也成为一种趋势。解决手机耗电量逐渐增大的另一解决方案,超长待机时间使得双电芯方案可能成为电池发展的下一个领域。据悉,5G手机比4G手机耗电明显增多,5G芯片耗电量是4G芯片耗电量的2.5倍,这就需要手机需要更大的电池容量和更好的散热性能,多电芯电池的使用使得Pack厂大幅受益。

由于受上下游原材料供给和下游手机厂商分布影响,中国手机电池主要产能分布在广东、江苏、福建、山东、浙江五省。手机电池在广东发展最好,广东省手机电池产量占比手机电池产量优势省份达到了83%。以德赛电池为例,这是国内最早从事锂电池封装集成和电源管理的生产制造企业。公司客户包括苹果、华为、三星、小米等。其中公司在苹果iPhone系列电源管理方面的份额超过一半。

动力电池高速发展,新能源车带动效应明显。受新能源汽车产业发展带动,2017年-2018年,中国动力电池保持高速增长。据GGII调研统计,去年,中国动力电池市场产量同比增长46.07%,达65GWh,是锂电池产业中占比最大的细分领域。

高安全+高比能量,高能量密度三元锂电池成为厂商研发重点。宁德时代是中国最大动力电池厂,今年上半年,其动力电池装机量达13.8GWh,国内市占率高达46%。根据《汽车产业中长期发展规划》,到2020年,动力电池单体能量密度达到300Wh/kg以上,力争实现350Wh/kg,系统能量密度力争达到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下。但行业现状是,依靠三元锂电池实现2020年系统能量密度达到260Wh/kg的目标,目前仅宁德时代的NCM811有可能胜任。

按照纯电动乘用车市场,消费者需要高比能量电池满足对续航里程的需求,未来高能量密度NCM811电池的需求量仍会增加。高比能量是发展趋势,但安全问题要特别关注。

据外媒报道,特斯拉正在美国弗里蒙特工厂附近的“秘密实验室”研发自己的锂离子电池,并开始探索大规模生产相关电池产品的技术储备。在此之前,特斯拉的动力电池供应一直依赖于日本的合作伙伴松下

储能电池市场方兴未艾。目前在储能电池市场,主要有三大应用领域:电力储能、家用储能以及基站储能,家庭储能借着特斯拉掀起的“能源家庭”浪潮,有较大的进一步发展扩容的空间,但目前主要集中在美国、德国、澳洲和日本等海外地区,国内仍处于发展初期。

在全球市场上,日前,特斯拉承诺将在澳洲建设全球最大电池储能系统,马斯克也刚刚在财报电话会议上宣布特斯拉太阳能屋顶正式进驻第一批用户屋顶,宜家则开始在英国出售家用太阳能电池板和储能电池,这也更进一步标志了“储能”环节在新能源产业中的重要地位。中国储能类锂离子电池领域虽然市场空间巨大,但目前受成本、技术等因素限制,仍处于市场导入期。

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