锂电池之父吉野彰曾预测：“就锂电池本身而言，现在主要应用在两大领域：一是移动式产品，如手机、电脑，占锂电池使用量的2/3左右；第二大领域便是车载电池。

1995年微软发布Windows95，个人电脑走进日常生活，也开启了相对轻便且高性能的锂电池在全球的巨量需求。随着科技的进步，尤其是近年来行动通讯及轻便可携带式电子产品的蓬勃发展，例如行动电话、笔记本电脑、数位相机等，此类产品的各项元件也慢慢朝向轻、薄、短、小的目标改进，对于可充电式电池的改良也就格外显得重要。

△手机、平板电脑、便携式照相机等等都要大量使用锂电池

随着这些电子产品的制造技术趋于成熟以及市场需求量的增大，逐渐往多功能、处理速度快、荧幕彩色化等方面发展，这也使得具有安全性高、无记忆效应、环境友好等优点的锂电池，逐渐取代传统的镍氢电池、镍镉电池等，而成为轻便可携带式电子产品新一代的电能储存系统。

相比之前介绍的燃料电池、锌空气电池，锂电池又有哪些优势呢？3月29日，保福大讲堂举行了关于新能源的三期讲座，科技部负责人周详从发展历史、应用领域、未来发展趋势等方面为大家全面介绍了锂电池。

锂电池概述

1.1 锂电池基本结构及工作原理

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池是一种充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，是现代高性能电池的代表。

主要材料：正极、负极、电解液、隔膜

结构：圆形、方形、叠片、卷绕

形态：聚合物（软包装）、液态锂离子（钢壳）

正极材料：磷酸铁锂

负极材料：石墨

电化学：磷酸铁锂+石墨=磷酸铁+石墨嵌锂

充电：

正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

放电：

负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上，正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

1.2 锂电池基本参数

我们在使用锂离子电池的时候，会关注一些技术指标，作为衡量其性能“优劣”的主要因素。那么，哪些指标是我们需要在使用的时候，应该予以特别关注呢？

电池容量：在电池合理的最高最低电压范围内，可以充入和放出的最大电量，通常用毫安时mAh或者Ah表示；

标称电压：电池正负极之间的电势差，锂电池的标称电压有3.7V和3.8V；

充放电倍率：“C”是形容电池充放电电流大小的专用符号；

举个例子来阐述倍率指标的具体含义，某电池的额定容量是10Ah，如果其额定充放电倍率是1C，那么就意味着这个型号的电池，可以以10A的电流，进行反复的充放电，一直到充电或放电的截止电压；

自放电率：在一段时间内，电池在没有使用的情况下，自动损失的电量占总容量的百分比，一般在常温下锂离子电池自放电率为5%-8%；

电池内阻：由极板的电阻和离子流的阻抗决定，在充放电过程中，离子流的阻抗将随电解液浓度和带电离子的增减而变化。

1.3 锂电池特点

优点：

①体积小：具有高储能量密度，是铅酸电池10倍，方便安装携带；

②重量轻：重量约为铅酸蓄电池的1/3，可随时与车分离进行使用；

③充放电较快：约2-3小时，超过镍氢电池的6-8小时；

④使用寿命长：正常使用5-10年，使用次数在1000次以上；

⑤使用环境：0°电池使用能量影响10%；

⑥绿色环保：锂电池绿色环保，锂电池中不含有铅、汞、镉有毒害物质。

缺点：

低温启动难、能量密度不够优化、发热较为严重；

隔膜穿刺会引发正负极材料短路形成内部电流引发燃烧；

目前主流手机锂电池和汽车锂电池有严格的安全规范，一般不会起火，而充电宝、电动自行车等厂家质量管理不严格，需要谨慎！

1.4 锂电池产业链及应用领域

锂电池上游为原材料资源的开采、加工，主要有锂资源、钴资源和石墨，由此构成正负极材料、电解液、电极基材、隔膜等；

中游则是将正负极材料、电解液、电极基材、隔膜组装成电芯后进行制造和封装；

下游是锂电池的应用领域。

锂电池生产流程图

锂电池终端应用领域主要包括消费型、动力型和储能型，消费类电子产品用电池的主要市场是手机、笔记本电脑、电动工具和可穿戴设备等。

2018年11月，中科院半导体研究所的沈国震教授和中国人民解放军医院姜凯教授发表题为“DeviceConfigurations and Future Prospects ofFlexible/StretchableLithium-Ion Batteries”的综述文章，总结了不同结构锂电池研究现状及其在可穿戴设备中的潜在应用。

例如，一维纤维锂电池可以织成大面积的纺织物，这些纺织物可以和我们的衣料深度结合。目前，科学家正致力于将这种新型织物电荷存储设备集成到可穿戴智能服装中，该服装使用电子纺织品传感器和低功率微处理器来监控人的步态和关节运动。因此，开发具有高能量密度的柔性锂离子电池，将对推动可穿戴柔性电子器件的发展产生重要意义。

2019MWC（世界移动通信大会）的召开，Huawei发布了折叠屏手机MateX。

但是，目前的折叠屏手机仍然采用的是普通的刚性电池，若想推出革命性的全柔性电子器件，必须开发相应的柔性电源植入其中。要想实现锂电池的柔性化，主流技术路线包括柔性集流体设计和可拉伸结构设计，这两方面的创新一直是国际上高水平期刊青睐的研究点。

锂电池除了做动力电池之外，还可以储能。

电网级电化学储能爆发，对锂离子电池需求快速扩大，当前电网对储能需求已经从单纯的电量存储功能向快速出力调节功能转变。而“锂电池+PCS”的组合模式，是目前快速调节出力最为经济有效的方式。预计，从2019年开始，电网级锂电池储能需求将会达到GW级别，对于锂电池需求快速扩大。

锂电池在军事、医疗等方面也有着广泛的应用:

军事上主要用于大型舰船类动力电源、航空飞行器所用动力电源、航天载具动力电源系统（航天飞机、卫星、火箭、导弹等）军用装甲，民用大型挖掘器械所用动力电源（坦克、装甲车、军用大型装甲车辆、民用大型挖掘器械、大型吊车等）；

应用于医疗的一个典型例子就是心脏起搏器。心脏起搏器对电池的寿命、抗腐蚀性有极高的品质要求，一般由锂碘一次电池来担负这个艰巨的任务。首先，它有极长的使用寿命，一般可达七至十年。其次，由于它使用纯固体电解质，产品的可靠性相当高。

1.5 磷酸铁锂和三元电池

锂电池市场上常见的有三元材料和磷酸铁锂，两者各有千秋，技术不分好坏，只有适合或者不适合。

铁锂：耐高温，安全稳定性强，价格便宜，循环性能更好；

三元材料：镍钴锰能量密度更高、充电快、续航里程好；

铁锂代表厂家：比亚迪、国轩高科、沃特玛；

三元电池代表厂家：宁德时代、比亚迪、欣旺达；

我国幅员辽阔，气候复杂，从最北端的东北三省到最南端的海南诸岛温度变化非常丰富。以北京为例，作为电动汽车的主力市场，北京夏季最高温度在40℃左右，而冬季则基本保持在零下16℃左右，甚至更低。这样的温度区间显然适合低温性能更佳的三元锂电池。而注重耐高温性能的磷酸铁锂电池在北京的冬季会显得有些乏力。

未来很长一段时间，三元锂电池和磷酸铁锂电池两种技术路线将双线并行，追求品质性能的高端乘用车市场采用三元电池，在磷酸铁锂的主战场，其需求仍然强劲。

新能源汽车

伴随着汽车轻量化、环保化的要求，新能源汽车技术成为下一代汽车的首选。2014年7月，国务院就印发《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》，再次强调发展新能源汽车为国家战略。

根据“中国制造2025”制定的战略目标，到2020年，我国新能源汽车年销量将突破100万辆，动力电池等关键系统达到国际先进水平，在国内市场占有率达到80%；到2025年，与国际先进水平同步的新能源汽车年销量达300万辆，实现批量出口；到2030年新能源汽车年销量占比将继续大幅提高，规模超过千万辆。

目前绝大多数新能源汽车采用锂离子电池作为动力源，动力电池成本约为纯电动汽车成本的50%。

一辆电动车的三种原料消费量:45千克碳酸锂、11千克钴、50千克石墨。我们以特斯拉ModelS为例,测算了电动车中三种主要金属元素的含量。同时按电动车年销量增长100万辆为基准,做原材料的消费增量敏感性分析,可得出碳酸锂消费增量4.5万吨,现消费量14万吨/年;钴消费增量1.1万吨,现消费量8万吨/年;石墨消费增量5万吨,现消费量巨大但无准确数字。

新能源车发展长效机制的理顺与出台将推动产业的未来爆发，受益于新能源汽车的不断增长，锂电池产业将迎来黄金发展的十年。

锂电池未来发展方向

锂电池技术进步主要来自关键电池材料创新研究与应用进展，通过新材料的开发进一步提高电池性能，提高质量，降低成本，改善安全性。

①生产过程标准化、自动化

今后的动力电池制造将朝着“三高三化”的方向发展，即“高品质、高效、高稳定性”和“信息化、无人化、可视化”。我国锂电池企业也必须投入更多资源，通过技术创新、自动化生产和规范化管理，加快实现锂电池的智能制造

②高比能量是动力电池发展主趋势

在持续优化提升新型锂离子动力电池的同时，重点研发新体系动力电池，显著提升比能量，大幅降低成本，实现新体系动力电池实用化和规模化应用

③以安全为前提 实现技术升级

安全性是所有产品都应具备的最基本属性。在优化现有体系锂离子动力电池技术满足新能源汽车规模化发展需求的同时，以开发新型锂离子动力电池为重点，提升其安全性、一致性和寿命等关键技术，同步开展新体系动力电池的前瞻性研发。

④建立完整的动力电池回收体系

动力电池的回收利用主要分为梯次利用和拆解回收两个循环过程，动力电池可以回收还原成钴、镍等成本较高的金属，动力电池还可以梯级利用到储能领域，如削峰填谷，随着产业规模的扩大，数十万新能源车电池即将带着80%电余量退役，回收渠道必将走向规范化、规模化，研究电池管理技术，并搭建实验平台。

锂电池全球产业格局趋势

锂离子电池产业从90年代初诞生以来，至今已有大约30年时间，这个行业从日本垄断，到日韩争霸，到现在中日韩三足鼎立，现在逐渐开始向中国垄断的方向发展。得益于市场强劲需求，虽然当前我国锂电池产业已跻身全球第一阵营，但并不意味着与韩、日顶尖企业没有差距。

锂电池产业区位转移期：研发突破在北美，产业化在中日韩

锂电池行业的区域特点，可以概括为研发突破在北美，产业化在中日韩。由于锂电池行业是典型的劳动密集和技术密集相结合的产业，需要大量的劳动力，有一定的技术门槛，同时需要较大的资金投入。在20多年的发展过程中，在中日韩三国在劳动力、工业体系、技术人才以及资本方面积累的助力下，逐步形成了以中日韩为代表的锂电池制造基地，基本上垄断了全球的锂电池供应。

美国：制造空心化导致先发后至，不敌中日韩

美国以其强大的综合国力，一直引领全球的科技创新和商业模式变革，但受制于高昂的人工成本、环境成本、社会成本等，美国的制造业空心化已经持续了几十年。美国的锂电池产业基本上已经退出了世界大舞台,但仍然在理论研究和技术创新方面举足轻重，只是在科技转化为产品的环节，不敌中日韩等国。

日本：品质佳，价格昂贵

日本的二次创新能力极强，最善于在美国人的技术基础上做改进，并将其做成产品，实现产业化，并且自动化程度极高，产品品质好，价格也很昂贵。

韩国：巨无霸企业通吃市场

韩国的模仿能力强，善于学习美国和日本。韩国人是举国之力发展大企业，产业集中度非常高，三星SDI和LG化学是韩国锂电的巨无霸，也在全球市场占有很大份额。

中国：拥有核心技术的企业将脱颖而出

和韩国相似的是，中国的锂电产业的模仿制造能力也很强，并在扩大产业规模和降低成本方面非常突出。

不同的是，中国的锂电池发展情况则是采取狼群策略，民营企业一哄而上，策略灵活多变，整体规模很大，但产业集中度低，缺乏核心技术。随着产业的成熟与技术分化，拥有核心技术与研究学术资源的的成熟企业、行业龙头，未来将脱颖而出。

2018年10月16日，李克强总理与荷兰首相吕特共同见证签署了合作协议，荷兰电池制造企业沃克斯公司决定向中国投资18.5亿美元，在长江三角洲地区设立新能源锂电池超级工程项目并设立中国研发基地。

本次投资的工厂将于2021年投产，年产量8.0Gwh，可为16万辆电动汽车提供电池。此外，该公司以磷酸铁锂为优势，3月收购了位于常州的A123 Systems工厂，本投资项目为其在我国第二个工厂。

得益于国家政策的支持、锂电池技术水平的提升和新能源汽车持续高增长发展等因素，锂电池将在电池市场上攻城掠地。2018年我国锂电池行业市场规模已达820亿元，预计到2024年我国锂电池行业市场规模将超过1500亿元。锂电池具有的优点将使其成为人类21世纪重点发展的理想二次能源。