【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 鋰電池為主，而 代表 未來(lái)的發(fā)展方向 則是磷酸鐵鋰電池 。 鋰離子電池 工作原理 鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)大盤(pán)負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有 很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。 同樣道理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過(guò)程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。 不難看出，在鋰離子電池的充放電過(guò)程中，鋰離子處于 從正極 → 負(fù)極 → 正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們吧鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩級(jí)，而鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，自愛(ài)搖椅的兩端來(lái)回奔跑。所以，鋰離子電池 又叫 搖椅式電池。 圖 18：鋰 離子 電池的充 放電原理 鋰離子電池 優(yōu)缺點(diǎn) 鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 單體電池工作電壓高達(dá) ，是鎳鎘電池 ， 鎳氫電池的 3 倍，鉛酸電池的近 2 倍，這也是鋰電池比能量高的一個(gè)重要原因。因此組成相同電壓的動(dòng)力電池組時(shí)，鋰電池使用的串聯(lián)數(shù)目會(huì)大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動(dòng)力電2020 年鋰離子電池行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研 報(bào)告 11 池中單體電池?cái)?shù)量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實(shí)際使用過(guò)程中電池組有問(wèn)題分析后，一般是其中一、兩個(gè)單體電池出問(wèn)題然后導(dǎo)致整組電池出現(xiàn)問(wèn)題，因此不難理解為什么 48V 的鉛酸電池比 36V 的鉛酸電池反饋要高，從這個(gè)角 度上講鋰電更適合動(dòng)力電池的使用。例如 36V 的鋰電只需要 10 個(gè)單體，而 36V 鉛酸電池需要 18 個(gè)單體電池，即 3 只 12V 的電池組，而每只 12V 的鉛酸電池有六個(gè)單格即六個(gè)單體電池組成。 （ 2） 重量輕，比能量大，高達(dá) 150Wh/Kg， 是鎳氫電池的 2 倍，鉛酸電池的4 倍 ， 因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一，從這個(gè)角度講鋰電消耗的資源就少，而且由于錳酸鋰電池中所用元素的儲(chǔ)量比較多，因此相對(duì)鉛酸、鎳氫電池可能會(huì)進(jìn)一步漲價(jià)，鋰電池成本反而是進(jìn)一步降低的。電動(dòng)自行車(chē)用鋰離子電池重量為 公斤，鉛酸電池的重量為 1220 公斤，鋰電重量約為鉛酸電池的四分之一到三分之一，比鉛酸電池輕約 10 公斤（ 36V， 10Ah 電池），電池重量減輕了 70％ ， 整車(chē)總重量至少減輕了 20％。加上一般鋰電車(chē)都是簡(jiǎn)易款的電動(dòng)自行車(chē)，由于電池和整車(chē)輕，相同電壓、相同容量的電池行駛里程更長(zhǎng)，普通的電動(dòng)車(chē)重量在 40 公斤以上 ， 而鋰電池電動(dòng)自行車(chē)重量在 7到 26 公斤之間。女士和老年人都可以輕易搬動(dòng) ， 人力騎行也十分輕便，運(yùn)動(dòng)休閑兼得。 （ 3）體積小，高達(dá)到 400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結(jié)構(gòu)和更美觀的外形的設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)空間 和可能性?，F(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)思想受到極大約束，導(dǎo)致現(xiàn)階段的電動(dòng)自行車(chē)在結(jié)構(gòu)和外觀上 “ 千車(chē)一面 ” 、雷同相似、單調(diào)劃一。而鋰離子電池的使用，給設(shè)計(jì)師們提供了展示設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)風(fēng)格的更大空間及條件。當(dāng)然同時(shí)也導(dǎo)致電動(dòng)自行車(chē)用鋰電池尺寸多種多樣，不利于鋰動(dòng)力電池行業(yè)的發(fā)展。鋰動(dòng)力電池行業(yè)也需要盡快制定電動(dòng)自行車(chē)用鋰離子電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加速在電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域鋰電對(duì)鉛酸電池的替代。當(dāng)然目前鋰電池是在不斷發(fā)展過(guò)程中的不同材料、不同工藝電池的體積有很大的差別，如何統(tǒng)一也是一個(gè)難點(diǎn)。 （ 4）循環(huán)壽 命長(zhǎng)，循環(huán)次數(shù)可達(dá) 1000 次。以容量保持 60%計(jì)，電池組 100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到 600 次以上，使用年限可達(dá) 35 年 ， 壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術(shù)的革新，設(shè)備的提高，電池的壽命會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，性?xún)r(jià)比會(huì)越來(lái)越高。 2020 年鋰離子電池行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研 報(bào)告 12 （ 5）自放電率低，每月不到 5%。 （ 6）允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子電池可在 20℃ ～ +55℃ 之間工作，尤其適合低溫使用，而水溶液電池 (比如鉛酸電池、鎳氫電池 )在低溫時(shí)，由于電解液流動(dòng)性變差會(huì)導(dǎo)致性能大大降低。 （ 7）無(wú)記憶效應(yīng)，所以每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行充電。電池充放電深度，對(duì)電池的壽命影響不大，可以全充全放，我們循環(huán)測(cè)試就是全充全放的。 （ 8）特別適合用于動(dòng)力電池，除了鋰離子電池電壓高之外，由于鋰離子動(dòng)力電池組的保護(hù)板能夠?qū)γ恳粋€(gè)單體電池進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)，低功耗智能管理，具有完善的過(guò)充電、過(guò)放電、溫度、過(guò)流、短路保護(hù)、鎖定自恢復(fù)功能以及可靠的均衡充電功能，大大的延長(zhǎng)了電池的使用壽命。而其他類(lèi)型電池（比如鉛酸電池）在使用過(guò)程中由于電池一致性、充電器等問(wèn)題，易產(chǎn)生電池過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題（由于成本等各方面的原因，鉛酸電池組內(nèi)不能對(duì)每一個(gè)單體電池進(jìn) 行監(jiān)測(cè)和保護(hù)）。 （ 9）無(wú)污染，鋰電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱(chēng)為 “ 綠色電池 ” ，國(guó)家重點(diǎn)扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質(zhì)鉛和鎘，國(guó)家必然會(huì)加強(qiáng)監(jiān)管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的增加，鉛酸電動(dòng)自行車(chē)出口的受限），相應(yīng)企業(yè)的成本也會(huì)增加。雖然鋰電池沒(méi)有污染，但從資源節(jié)約的角度考慮，鋰電池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考慮。 鋰離子電池也存在著一定的缺點(diǎn)，如： （ 1）電池成本較高。 相同電壓和相同容量的鋰離子電池價(jià)格是鉛酸的 34 倍。以電動(dòng)自行車(chē)為例，市場(chǎng)上一輛鉛酸電池電動(dòng)自行車(chē)為 1500 元左右，而一組36V、 12Ah 鉛酸電池價(jià)格在 400 元～ 500 元之間；但如果換作同樣電壓及容量的鋰離子電池，那么電池的價(jià)格在 1000 元左右， 并且鋰離子電池要求的保護(hù)電路板也價(jià)格不低。而隨著電池材料所用的鋼材、鈷鎳等金屬價(jià)格的不斷上漲，鋰離子電池的生產(chǎn)成本也在逐年提高，所以資源更加豐富、價(jià)格更有優(yōu)勢(shì)的錳酸鋰和磷酸鐵鋰在動(dòng)力型鋰離子電池領(lǐng)域受到追捧。 （ 2）存在安全隱患；由于鋰電池比能量高，材料穩(wěn)定性差，鋰電容易出現(xiàn)安全問(wèn)題，目前世界上知名的手機(jī)和筆記本電腦電池（正極材料為鈷酸鋰和三元材料）生產(chǎn)企業(yè)，日本 三洋、索尼等公司要求電池的爆噴率控制在 40 個(gè) ppb(十億2020 年鋰離子電池行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研 報(bào)告 13 分之一 )以下，國(guó)內(nèi)公司能達(dá)到 ppm(百萬(wàn)分之一 )級(jí)的就已經(jīng)不錯(cuò)了，而動(dòng)力電池的容量是手機(jī)電池容量的上百倍以上，因此對(duì)鋰電的安全性要求極高。雖然鈷酸鋰電池和三元材料的電池具有重量更輕，體積更小等優(yōu)點(diǎn)，但它們是不適合作動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)的 1。 （ 3）需要保護(hù)線路控制。 A、過(guò)充保護(hù)：電池過(guò)充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時(shí)過(guò)充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過(guò)高而導(dǎo)致漏液等問(wèn)題；故必須在 的恒壓下充電； B、過(guò)放保護(hù)：過(guò)放會(huì)導(dǎo)致 活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線路控制。 表 12：各種電池性能對(duì)比 電池類(lèi)型 電壓 /V 重量比能量 /Wh/kg 體積比能量 /Wh/L 循環(huán)壽命 /次 每月自放電 率 有害物質(zhì) 鉛酸電池 2 3045 6090 300500 45% 鉛 鎘鎳電池 4060 100150 5001000 2030% 鎘 鎳氫電池 6080 150200 5001000 3035% / 鋰離子電池 110190 250500 5002020 5% / 鋰離子電池 鉛酸電池 鎳氫電池 錳酸鋰、三元材料、鈷酸鋰電池 磷酸亞鐵鋰電池 單體電池標(biāo)稱(chēng)電壓 2V 24V所需單體電池?cái)?shù) 7串 （ ） 8串 () 12串 一般用 12V， 10Ah的鉛酸電池串聯(lián)，而每只 12V,10Ah的電池中有 6個(gè)單格組成也就是由 6節(jié)單體電池組成 20串 36V所需單體電池?cái)?shù) 10串 (37V) 12串 () 18串 30串 48V所需單體電池?cái)?shù) 13串 () 15串 (48V) 24串 40串 鋰離子電池 應(yīng)用領(lǐng)域 鋰離子電池因?yàn)檩p便、高能量密度的特點(diǎn)，其市場(chǎng)應(yīng)用正在逐漸擴(kuò)大。鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本 電腦 、攝像機(jī)、 DVD 等一系列小型移動(dòng)式電子產(chǎn)品。最近兩年來(lái)，鋰離子電池已經(jīng)開(kāi)始在電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)工具上得到快 1 鋰離子電池在 130℃ 以上的高溫下有爆炸的危險(xiǎn)。但是， Frost amp。 Sullivan 預(yù)測(cè)，該問(wèn)題在今后 2～ 3 年內(nèi)將得到解決，可以耐高溫的鋰離子電池將面世。 2020 年鋰離子電池行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研 報(bào)告 14 速應(yīng)用。 此外，鋰電池還在軍事、醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用，其中一個(gè)典型的例子就是心臟起搏器：心臟起搏器對(duì)電池的要求相當(dāng)苛刻，其壽命、抗腐蝕性都必需有極高品質(zhì)，一般由鋰碘一次電池來(lái)?yè)?dān)負(fù)這個(gè)艱巨的任務(wù)。 今后，鋰離子電池將主要應(yīng)用于混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域，這將進(jìn)一步擴(kuò)大鋰離子電池的市 場(chǎng)占有率。 圖 19：鋰離子 電池應(yīng)用領(lǐng)域 全球 鋰離子電池行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r 全球鋰 離子 電池行業(yè) 發(fā)展 現(xiàn)狀 在世界范圍的鋰離子電池行業(yè)中，日本占有最大的世界市場(chǎng)份額。美國(guó)、歐洲、韓國(guó)也緊隨其后?；仡欁?2020 年以來(lái)的世界范圍的小型二次電池的應(yīng)用，我們可以發(fā)現(xiàn)在二次電池中，鋰離子電池的使用呈迅猛上升趨勢(shì)。 表 21 世界范圍內(nèi)各種二次電池的應(yīng)用情況 單位：百萬(wàn)支 年度 名稱(chēng) 筆記本 電腦 手機(jī) 攝錄 一體機(jī) 數(shù)碼相 機(jī) 電動(dòng)工具 一般電器 其它 總計(jì) 2020 鎳鎘 0 3 2 420 90 215 1261 鎳氫 18 167 6 40 41 180 66 688 LIB* 339 769 － 2020 鎳鎘 0 0 2 537 60 143 1267 鎳氫 20 101 5 50 52 241 80 744 2020 年鋰離子電池行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研 報(bào)告 15 LIB － 2020 鎳鎘 － 0 2 560 45 100 1192 鎳氫 22 50 4 56 53 315 107 795 LIB 2020 鎳鎘 － 0 2 526 40 92 1133 鎳氫 20 15 5 60 63 440 145 940 LIB 2302 2020 鎳鎘 － 0 2 535 40 85 1100 鎳氫 20 0 5 77 71 453 150 947 LIB 1316 *備注： LIB 鋰離子電池。 2020 年全球鋰 離子 電池 市場(chǎng)已經(jīng)形成中日韓三足鼎立的局面，生產(chǎn)規(guī)模都在急劇擴(kuò)大。中國(guó)的發(fā)展速度最快，韓國(guó)次之。 2020 年，中國(guó)的生產(chǎn)規(guī)模首次超過(guò)日本，位居世界第一。 2020 年中國(guó)鋰 離子 電池產(chǎn)量達(dá)到 億只，較 2020年增長(zhǎng) %。 圖 21： 20202020 中國(guó)鋰 離子 電池產(chǎn)量及其增長(zhǎng)趨勢(shì) (單位：百萬(wàn) ， %) 來(lái)源：中國(guó)化學(xué)與物理材料協(xié)會(huì) 2020 年鋰離子電池行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研 報(bào)告 16 全球鋰 離子 電池市場(chǎng) 需求 分析 預(yù)計(jì) 2020 年全球鋰離子充電電池供貨金額將同比增長(zhǎng) 13%。從不同形狀的產(chǎn)品的供貨量來(lái)看，圓筒形為 46%，方形為 41%，聚合物形為 13%。圓筒形在筆記本電腦電池中多配備 4 個(gè)或 6 個(gè)。面向電動(dòng)工具的新市場(chǎng)正在形成，每臺(tái)機(jī)器也配備多個(gè)電池。方形電池方面，手機(jī)尤其面向新興市場(chǎng)國(guó)家供貨的低價(jià)位機(jī)型起了推動(dòng)作用。鋰離子聚合物電池以手機(jī)為中心銷(xiāo)量日益擴(kuò)大。從不同用途來(lái)看，面向手機(jī)為 49%、面向筆記本電腦為 36%、面 向數(shù)碼相機(jī)為 4%。預(yù)計(jì)隨著B(niǎo)RICs（巴西、俄羅斯、印度、中國(guó)）等新興市場(chǎng)上手機(jī)以及筆記本電腦進(jìn)一步普及，上述便攜產(chǎn)品的增長(zhǎng)將放緩。 鋰離子電池的全球市場(chǎng)需求今后將大幅增長(zhǎng)，據(jù)預(yù)測(cè)， 2020 年鋰離子電池市場(chǎng)需求量約 億顆，年增率將超過(guò) 20%。 2020 年鋰離子電池市場(chǎng)需求量將達(dá)到 億顆； 2020 年鋰離子電池總需求量更可望突破 50 億顆。根據(jù)對(duì)主要鋰離子電池現(xiàn)有產(chǎn)能及產(chǎn)能擴(kuò)充計(jì)劃的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要鋰離子電池品牌及鋰離子電池組廠都已積極擴(kuò)展生產(chǎn)規(guī)模；但以目前所知的鋰離子電池廠產(chǎn)能擴(kuò)張的速度與未來(lái)需求成長(zhǎng)的 幅度相較，可更進(jìn)一步預(yù)測(cè)近年鋰離子電池市場(chǎng)將持續(xù)出現(xiàn)供貨吃緊現(xiàn)象。 圖 22 是日本信息技術(shù)研究院 (IIT)對(duì)近年來(lái)和未來(lái)幾年內(nèi)鋰離子電池市場(chǎng)需求的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè) 。 可以看出 , HE