儲能鋰離子電池產業化發展趨勢

曾樂才

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070）

進入21世紀以來，全球可再生能源將加速發展，到2010年，風電、光伏的裝機容量已分別達到199.5GW、15GW，根據預測，到2020年，全球風電、光伏將分別達到1 260GW、200GW。我國可再生能源也進入快速發展期，預計從2010年到2020年，我國風電與光伏的裝機容量將分別從44.7GW、1GW增加到200GW、20GW。

可再生能源的主要特點是：間歇式、波動幅度大、難準確預測。可再生能源的快速發展促使電網向智能化方向發展。傳統電網發電側可控，按需發電，即發即用，電力傳輸基本上按峰值設計；可再生能源需按資源發電，如果電力傳輸繼續按峰值設計將浪費大量資源，目前許多資產利用率僅30%，通過拼資源發展不可持續。

儲能技術是可再生能源發電并網和智能電網的構建的關鍵技術。

根據國家電網專門機構對風電入網的研究結果，儲能容量需配到風電裝機容量的20%～30%，參見圖1［1］。我國風機裝機容量快速增長，儲能潛在市場需求巨大。

圖1 風電出力保證曲線

1 儲能需求特點

應用儲能技術可實現削峰填谷、提高供電可靠性、改善電能質量。儲能技術可應用于新能源的負荷平衡、平滑入網、發電廠的負荷平衡、工廠與建筑的削峰、應急供電、負荷平衡、家用電動車充電、太陽能儲能以及變電站輔助服務如頻率調整、平穩風能供電、負荷平衡等［2］（見圖2）。

根據功率與放電時間要求的不同，可將儲能需求劃分為。

（1）放電時間＞1h：能量型需求。

（2）放電時間＜15min：功率型需求。

在電網儲能領域，由于場地相對不受限制，更關注的是循環壽命及成本。儲能技術大規模推廣應用的主要評價指標包括［3］。

（1）系統規模。為保證儲能系統出力的有效性，系統容量應在MW／MWh以上，同時應確保系統在此容量級別下的安全性。

（2）技術水平。包括儲能系統的循環壽命、系統效率及比能量3個指標，一般要求循環壽命在5 000次以上，系統效率在80%以上。

（3）經濟因素。要取得經濟效益，參照峰谷電價差，要求儲能系統單位循環壽命的綜合造價滿足以下要求：

其中，η為系統充放電循環效率；因此，一般要求初始投資不高于1 500元／kWh。

（4）系統形態。儲能系統可以批量化生產，便于安裝運行及維護。

從電網儲能對儲能技術的要求來看，鋰離子電池技術是一種有前景的儲能技術。

2 鋰電池結構、生產流程與關鍵技術

2.1 鋰電池結構

鋰離子電池產品主要有3類，即方形電池、圓柱形電池以及鋁塑膜包裝方形電池（如圖3所示，這種電池還包括聚合物軟包電池）。儲能的鋰離子電池產品與小型電池沒有本質上的差別，但由于大容量應用的需要，鋁塑封裝鋰離子電池結構有望得到更多的應用。

圖3 鋁塑封裝鋰離子電池結構

2.2 鋰電池的簡要生產流程

方形電池（包括軟包裝和聚合物電池）生產方式有兩種：“卷繞式”與“疊片式”，其中卷繞自動化生產技術速度快、適合生產能量型電池產品；而疊片式采用了多極耳設計，適合生產功率型電池產品。圖4為典型的鋰離子電池簡要生產流程。鋰離子電池電極制造技術屬共性技術，設備具有一定通用性。整個工藝流程都可以實現自動化生產與過程質量控制。世界大型鋰離子電池的生產技術不斷進步，國際著名公司如三星、LG、三洋、索尼以及尼桑／NEC等都具有質量可控、速度很快的生產設施與技術。

圖4 鋰離子電池簡要生產流程

2.3 鋰電池生產的關鍵技術

以單電池為例，鋰離子電池成本構成如圖5所示［4］。正極材料是決定電池成本高低的最重要因素。同時，正極材料的重量約占電池的2／3，正極材料的比能量等性能也決定了電池性能指標的高低。例如，如果正極材料容量提高100%，則電池總額定電容量將提高68%；如果負極材料的電容量提高100%，則電池總額定電容量僅提高12%；因此，可以說，正極材料的發展引領鋰離子電池的發展。

圖5 鋰電池成本構成

鋰離子電池關鍵正極材料種類主要有鈷酸鋰（LiCoO2）、錳 酸 鋰 （LiMn2O4）、三 元 材 料 （Li（NiCoMn）O2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4），主要性能對比如表2所示。

表2 鋰離子電池主要正極材料性能對比

鋰電池制造的關鍵與技術瓶頸包括電池設計、組裝技術、電池組管理與保護技術、材料、隔膜、電解質等。具體如下：

（1）電池設計。大容量大功率電池的電池結構設計，正負極材料、電解液、隔膜的匹配。

（2）電池組裝技術。大容量電池的安全性和單體一致性。

（3）電池組管理與保護技術。良好可靠的電池保護方案對于保證系統充放電性能、溫度特性、安全性能、使用壽命以及對于解決電池組單體一致性問題有重要意義。

（4）正極材料理化性能及一致性。正極材料質量與性能是影響電池品質的主要因素，國內生產的多數材料在純度、粒度、粒度分布、工藝重復性方面仍存在缺陷。

（5）隔膜材料工藝。隔膜是保證鋰離子電池安全穩定工作的核心材料，主要難點在于復合材料、厚度、強度、孔徑等，目前國內主要依賴進口。

（6）高性能電解液合成技術。電解液的難點主要在于電解質的制備、電解質粘度、熱穩定性、溫度范圍、電解液的阻燃添加劑，目前，最關鍵電解質成分六氟磷酸鋰仍以進口為主。

3 鋰電產業鏈

鋰電池產業包括鋰礦資源、電池材料、電芯組裝、系統應用、電池裝備及回收利用等主要環節。鋰礦資源的開發與提純屬于資源開發領域；電池材料屬于技術與資本密集性產業，材料性能的提升是整個產業突破的關鍵；電芯組裝屬于勞動密集型產業，利用工藝手段提高產品一致性是關鍵；系統應用則取決于對客戶市場及需求的深入理解；回收利用市場競爭環境寬松，國家也鼓勵該產業的發展，當前回收利用技術的突破成為瓶頸。

正極材料：鋰電池正極材料主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料、磷酸鐵鋰等。2010年全球正極材料產量為53 490t，其中，鈷酸鋰、三元材料分別占48%、33%，我國正極材料產量為27 500t，其中鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰分別占60%、13%、18%、5%，主要生產廠家為北京當升、湖南瑞翔、上海杉杉科技、北大先行。

負極材料：鋰離子電池負極材料目前仍以碳材料為主，包括人工石墨、天然石墨和中間相碳微球。2010年全球負極材料產量為26 650t，我國負極材料的總產量為15 000t。我國主要負極材料生產企業包括深圳貝特瑞、上海杉杉科技、深圳斯諾、長沙海容等，其中，深圳貝特瑞2010年產量達到7 600t，成為全球第一。

電解液：2010年我國鋰電池電解液產量為15 000t，其中，國泰華榮生產3 500t，排名世界第3。目前，國內電池生產商電解液配套已基本實現國產化，只有少部分使用進口電解液。但作為電解液的主體成分LiPF6，仍主要依靠進口。

隔膜：2010年全球鋰電池隔膜產量為3.69×108m2，我國2010年需求量達到1.4×108m2。雖然，我國已開始批量生產中低端用隔膜材料，但隔膜材料的80%仍依靠進口。

日本、中國和韓國是世界3大鋰離子電池生產國，其產量占到世界總產量的95%左右。2010年我國生產鋰電池20億只，銷售收入達到180億元。主要應用市場為手機市場占60%，筆記本電腦市場占10%，電動工具占10%，電動自行車占3%，數碼產品等占12%，其他占5%。我國前4大鋰離子電池企業為天津力神、深圳比克、深圳比亞迪、東莞ATL，2010年產量分別為2.48、1.75、1.62、1.47億只，4家企業產量占全國總產量的36%。其中只有比亞迪涉及相關材料的研發生產，其他主要以電芯和模塊為主，部分企業也開始著手于系統應用領域。目前國際上鋰電池價格大約為每千瓦小時800美元，而我國鋰電池價格已降到每千瓦小時3 000元。

根據中國化學與物理電源行業協會數據，2010年全球鋰離子電池的產量約為50億只，市場規模約90億美元。預計到2020年全球市場規模將超過720億美元［5］（見圖6），主要為電動汽車和便攜式應用。

圖6 鋰離子電池市場預測

4 鋰電在儲能領域的應用

4.1 鋰電與其他儲能方法比較

鋰電與其他儲能方法比能量高、效率高，適用于多種用途，既適用于功率性儲能需求，也適用于能量性儲能需求［2］（見圖7），其主要技術性能與其他儲能方法對比見表3［6］。從國內儲能需求及各類技術發展情況來看，鈉硫電池、液流電池、鋰電池3種技術最具規模化應用趨勢；從技術成熟度和成本下降空間來看，鋰電池的產業鏈較成熟，國內上下游配套基礎較好，短時間內成本下降空間較大；因此，短時間內鋰電池在儲能方面的應用有望占領先機。

圖7 各儲能技術適用范圍對比

4.2 鋰電儲能應用情況

鋰電由于其良好的綜合性能及技術成熟度與完整的產業鏈，在儲能應用中占有較重要的地位，如國家電網張北風光儲輸示范項目在多種儲能技術中主要采用鋰電儲能。近年來，全球多項儲能示范工程也采用鋰電池技術，見表4。

5 儲能鋰電技術與產業發展趨勢分析

5.1 鋰電儲能產業發展的主要問題

鋰電池的應用領域主要為通訊（Communication）、電腦（Computer）、消費類電子（Consumen）3C等產品，在電動汽車、電網儲能等大功率、大容量電池應用領域由于技術成本等原因鋰電池的推廣應用尚未大規模展開。例如，在能量密度方面，動力鋰電池要求在500Wh／kg，而實際為120Wh／kg；價格方面，成本目標為每千瓦小時1 000～1 500元，而實際為每千瓦小時3 000～4 000元等。

表3 鋰電與其他儲能方法主要技術性能對比

表4 近年來全球鋰電池儲能示范工程

在鋰電池及材料的生產制造方面，目前國內生產企業眾多，我國雖然已成為鋰電池生產大國，但整體技術水平卻相對落后，如生產工藝參差不齊，單體電池性能的一致性難以保證，自主知識產權缺失，容易受制于人。正極材料磷酸鐵鋰的生產能力快速增長，但生產質量不穩定，與國外水平有明顯差距，阻礙其大規模的生產應用。此外，知識產權缺失、原材料國際認證極少等。

5.2 提高鋰電性能降低儲能系統成本

消費電子、電動汽車及電力儲能的發展需要將進一步推動鋰離子電池技術的進步，發展高比能量鋰離子電池在相當長的一段時間內將是鋰電技術的一個最重要的研發方向（見圖8）。在儲能領域，目前盡管鋰電池技術已應用于多個儲能示范項目，但在安全性、循環壽命和經濟性方面需進一步改進，其中影響產業鏈發展的關鍵是材料性能及產品一致性。下一代儲能鋰電池將朝著高壽命、低成本、高可靠性方向發展。

圖8 鋰電研究規劃（日本NEDO）

根據儲能用電池的評價來判斷，鋰電儲能有前景的技術路線包括：① 錳酸鋰或三元材料（正極）＋鈦酸鋰（負極）；② 磷酸鐵鋰（正極）＋碳體系（負極）。

當前鋰電池行業主要處于以技術進步驅動為主的上升階段，但技術與成本的現狀與目標期望存在較大差距，儲能用鋰電池降低儲能系統成本將成為研發重點，根據美國儲能技術中長期規劃［2］（見表5），降低儲能系統成本是其重要目標。

表5 美國儲能技術中長期研發規劃主要指標

6 結 語

可再生能源的發展與智能電網的建設需要儲能技術，鋰離子電池比能量高、效率高，技術進步快，既適用于功率性儲能需求，也適用于能量性儲能需求，并且產業鏈完整，在目前的示范應用中鋰電技術占有先機，但大規模推廣應用還需要進一步提高鋰電性能，降低儲能系統成本。

［1］楊宗麟，朱忠烈，李睿元，等.江蘇省沿海典型風電場出力特性分析［J］.華東電力，2010，38（3）：388－389.

［2］U.S.Department of Energy Office of Electricity Delivery ＆Energy Reliability.Energy storage program planning document［EB／OL］.（2011－02－12）［2011－12－01］.http：／／energy.gov／oe／downloads／.

［3］來小康.儲能技術十年之內將出現大規模應用拐點［EB／OL］.（2012－12－03）［2011－12－15］.http：／／www.escn.com.cn／2011／0627／33279.html.

［4］中國儲能網.鋰離子電池產業鏈投資價值分析［EB／OL］.（2010－12－03）［2011－12－15］.http：／／www.escn.com.cn／2010／1223／2513.html.

［5］中國化學與物理電源行業協會.中國鋰電池產業發展分析［EB／OL］.（2011－07－21）［2011－12－15］.http：／／www.ceeia.com／News＿View.aspx？newsid＝24020＆classid＝34.

［6］International Energy Agency Shin－ichi Inage.Prospects for large－Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids［EB／OL］.（2009－11－20）［2011－12－01］.http：／／www.iea.org／papers／2009／energy＿storage.pdf.