高性能鋰離子電池的最新發(fā)展已經(jīng)引發(fā)了現(xiàn)代社會(huì)的深刻變革。啟用無(wú)線通信后，鋰離子電池為汽車行業(yè)全面過(guò)渡到電動(dòng)化時(shí)代鋪平了道路。然而，有關(guān)尋求具有高性能的，高安全性的和低成本的電池技術(shù)仍在持續(xù)。因此，在經(jīng)濟(jì)上也投入了大量的人力和物力。第12屆國(guó)際先進(jìn)動(dòng)力鋰離子電池年度會(huì)議（AnnualInternationalConferenceonAdvancedLithiumBatteriesforAutomobileApplications,ABAA-12）于2019年十月在德國(guó)烏爾姆舉辦，來(lái)自我國(guó)，德國(guó)，日本，歐盟委員會(huì)和美國(guó)的諸多政策制定者們，對(duì)如何推動(dòng)鋰離子電池技術(shù)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用提出了富有建設(shè)性的意見(jiàn)，對(duì)相關(guān)愿景進(jìn)行了深入的描述。這篇前瞻性文章的目的旨在對(duì)當(dāng)前各國(guó)的研發(fā)趨勢(shì)以及電動(dòng)汽車在大眾市場(chǎng)中的滲透給出一定見(jiàn)解。

【背景導(dǎo)讀】

全球人口的不斷上升以及城市的擴(kuò)展，挑戰(zhàn)著現(xiàn)有的交通和能源解決方法。鋰離子電池（Li-ionbatteries,LIBs）技術(shù)觸發(fā)了道路運(yùn)輸，家庭能源存儲(chǔ)電氣化的第一步，更廣泛地講，減少了社會(huì)整體有關(guān)化石燃料的依賴。確實(shí)，鋰離子電池技術(shù)的成功正在加速社會(huì)能源結(jié)構(gòu)向可再生能源的過(guò)渡，并擴(kuò)大對(duì)電動(dòng)汽車（Electricvehicles,EVs）的接受度和市場(chǎng)滲透率。預(yù)計(jì)到2028年將有2億輛各類電動(dòng)汽車投入使用。自1991年Sony首次商業(yè)化鋰離子電池以來(lái)，它們的性能不斷被提高以實(shí)現(xiàn)這些成就。這些提升不僅要考慮到體積能量密度（Wh/L）和重量能量密度（Wh/kg），還要考慮安全性，成本和充電速度[1,2]。但是，為了推動(dòng)現(xiàn)代社會(huì)可目睹的能源革命，還是要進(jìn)一步的提升[3]。

與任何其他類型的電池技術(shù)相比，鋰離子電池具有出色的能量和功率性能[4]。這就是為何這種突破性電池技術(shù)是迄今為止研究最多的原因。盡管如此，歷史告訴我們，鋰離子電池技術(shù)仍相對(duì)較年輕，距離首次商業(yè)化應(yīng)用僅30年之久。因此，電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車要與由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（Internalcombustionengines,ICE）驅(qū)動(dòng)的汽車競(jìng)爭(zhēng)已不是一件容易的事，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)發(fā)展了近150年。另一方面，工業(yè)界和中央政府的承諾和財(cái)政支持正在推動(dòng)鋰離子電池的研發(fā)工作，電動(dòng)汽車的大規(guī)模生產(chǎn)和電池的商業(yè)化。因此，瑞典皇家科學(xué)院基于鋰離子電池技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用對(duì)我們整個(gè)社會(huì)取得巨大進(jìn)步的影響，將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予該突破性技術(shù)發(fā)明的三位科學(xué)家：AkiraYoshino,M.StanleyWhittingham和JohnB.Goodenough。

【文章正文】

1.科研&學(xué)術(shù)發(fā)展：如圖1，通過(guò)觀察2000年至2019年相關(guān)科學(xué)出版物數(shù)量的新增，也可以明顯地看出，有關(guān)鋰離子電池的學(xué)術(shù)研究工作在不斷新增，2019年已發(fā)表超過(guò)10000篇論文。而在同一時(shí)間范圍內(nèi)，已提交了涉及鋰離子電池的發(fā)明專利也有10500多項(xiàng)（數(shù)據(jù)來(lái)源：GooglePatents）。

圖1.與鋰離子電池主題相關(guān)的出版物數(shù)量(數(shù)據(jù)來(lái)源：Scopus)

2.政策激勵(lì)：盡管如此，期望鋰離子電池技術(shù)的所有關(guān)鍵性能指標(biāo)（即安全性，能量，功率和成本）將進(jìn)一步改善，從而擴(kuò)大終端客戶對(duì)混合動(dòng)力（HybridEV,HEV），插電式混合動(dòng)力（Plug-inhybridEV,PHEV）或純電動(dòng)動(dòng)力（BEV）等電動(dòng)汽車的接受程度。此類改善重要是由汽車行業(yè)推動(dòng)的，事實(shí)上，即使2017年電動(dòng)汽車的份額“僅”占全球汽車總銷量的1%以上，汽車行業(yè)仍利用了鋰離子電池總產(chǎn)量的約60%[5]。值得一提的是，電動(dòng)汽車份額在接下來(lái)的一年中上升了兩倍以上，在2019年達(dá)到了略高于3%。其中銷售PHEV和BEV車型受到中央政府激勵(lì)措施的大力推動(dòng)，這可以被視為補(bǔ)貼優(yōu)惠（購(gòu)買補(bǔ)貼）或者稅收優(yōu)惠。在歐盟，幾乎所有成員國(guó)都在擴(kuò)大此類激勵(lì)措施，而一些成員國(guó)已經(jīng)宣布禁止傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車銷售（如圖2）。

圖2.計(jì)劃禁止（純粹）以汽油為動(dòng)力的汽車進(jìn)行注冊(cè)（以年為單位）以及購(gòu)買電動(dòng)汽車具有補(bǔ)貼的歐洲國(guó)家/地區(qū)總體概覽（以綠色“對(duì)號(hào)√”表示）

在美國(guó)，我國(guó)和日本也提出了相應(yīng)的激勵(lì)措施。這些框架計(jì)劃無(wú)疑為新增全球電動(dòng)汽車注冊(cè)量（如圖3a）和累計(jì)銷量（如圖3b）做出了貢獻(xiàn)，兩者均顯示出了驚人的上升率。要指出的是，盡管2019年我國(guó)和美國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車的財(cái)政支持減少了，因此導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)新電動(dòng)汽車較低的注冊(cè)上升率（+4%），但這些國(guó)家的銷量無(wú)論如何都接近了之前的水平。而在歐洲的銷售額進(jìn)一步新增（數(shù)據(jù)來(lái)源：ZSWDataServiceRenewableEnergies）。

圖3.全球電動(dòng)化市場(chǎng)中，電動(dòng)汽車存量和注冊(cè)量的年度數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來(lái)源：ZSWDataServiceRenewableEnergies:

https://www.zsw-bw.de/en/media-center/data-service.html#c6700

3.成本下降&技術(shù)路線提升：顯然，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車相比，電動(dòng)汽車的購(gòu)買成本仍相對(duì)較高（至少在沒(méi)有大量補(bǔ)貼的情況下）可能仍然使消費(fèi)者望而卻步。在這方面，由于總產(chǎn)量的進(jìn)一步上升以及使用比鈷更便宜的金屬，預(yù)計(jì)電池成本將在未來(lái)幾年內(nèi)逐步下降（如圖4）。盡管如此，必須指出的是，在2010-2018年的時(shí)間范圍內(nèi)，在電池包層級(jí)上每度電（KWh）的價(jià)格已下降了85%（數(shù)據(jù)來(lái)源：BloombergNEF）。NEDO的2030年下一代電池的研發(fā)目標(biāo)顯示，電池包的價(jià)格有望進(jìn)一步下降（如圖4），到95美元/kWh。

圖4.2010-2030年間，電池包級(jí)別的鋰離子電池價(jià)格與總產(chǎn)量的變化(NEDO供應(yīng)的2030年預(yù)測(cè)成本)

如前所述，鋰離子電池的改進(jìn)很可能會(huì)體現(xiàn)在所有的重要性能指標(biāo)上。而此，安全性被認(rèn)為是最重要的。必須指出，由美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（USNationalHighwayTrafficSafetyAdministration,NHTSA）出具的一份報(bào)告顯示，有關(guān)發(fā)生電化學(xué)失效風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)論是：“鋰離子電池系統(tǒng)中使用的易燃電解質(zhì)溶劑意外著火引起的火災(zāi)和爆炸的傾向性和嚴(yán)重性，在某種程度上僅是與汽油或柴油車發(fā)生事故相提并論的，或者是略少一些的[6]?！憋@然安全性仍必須進(jìn)一步提高，但目前在鋰離子電池安全性方面還是取得了令人矚目的一些成就。

此外，一次充電，預(yù)計(jì)充電時(shí)間為10-15分鐘或更短，將使電動(dòng)汽車的行駛里程延長(zhǎng)至500公里（即約300英里）以上，這與以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車加油需求相當(dāng)。如圖5所示，在策略上如何達(dá)到大部分都符合要求的性能目標(biāo)，可預(yù)見(jiàn)未來(lái)技術(shù)要使用改進(jìn)的液體電解質(zhì)和/或固態(tài)電解質(zhì)，無(wú)鈷陰極材料，更好地理解電化學(xué)反應(yīng)界面以及從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看如何二次利用工作后的鋰離子電池。此外，越來(lái)越多的努力方向指向用于材料和電池生產(chǎn)的回收和工業(yè)化廠。如今，大多數(shù)鋰離子電池的生產(chǎn)都在亞洲，特別是在我國(guó)，韓國(guó)和日本。但是，為了應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的不斷攀升，必須新增全球產(chǎn)量以應(yīng)對(duì)汽車行業(yè)的整體需求。就歐洲而言，已經(jīng)規(guī)劃了超過(guò)300GWh/年的產(chǎn)量，而在美國(guó)，TESLA計(jì)劃將電池總產(chǎn)量提高至22GWh/年。然而，隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，全球要更多的產(chǎn)量。

圖5.電動(dòng)汽車電池研發(fā)工作的總體路線圖，涉及使用的陽(yáng)極，電解質(zhì)和陰極材料

【總結(jié)】

2019年十月在德國(guó)烏爾姆舉辦第12屆汽車應(yīng)用領(lǐng)域國(guó)際先進(jìn)鋰離子電池年度會(huì)議（ABAA-12），供應(yīng)了由國(guó)內(nèi)（國(guó)際）資助計(jì)劃支持下的當(dāng)前和未來(lái)各項(xiàng)電池研究工作的深刻理解。因此，與這篇展望文章一起，我們向讀者供應(yīng)有關(guān)BMBF（德國(guó)），CAS（我國(guó)），DG研究與創(chuàng)新（歐盟委員會(huì)），DOE（美國(guó)），NEDO（日本）等政府機(jī)構(gòu)的重要活動(dòng)，指南和路線圖的報(bào)告。

【參考文獻(xiàn)】

[1]M.Li,J.Lu,Z.Chen,K.Amine,30Yearsoflithium-ionbatteries,Adv.Mater.30(2018)1800561,https://doi.org/10.1002/adma.201800561.

[2]Z.P.Cano,D.Banham,S.Ye,A.Hintennach,J.Lu,M.Fowler,Z.Chen,Batteriesandfuelcellsforemergingelectricvehiclemarkets,Nat.Energy.3(2018)279-289,https://doi.org/10.1038/s41560-018-0108-1.

[3]M.Armand,J.-M.Tarascon,Buildingbetterbatteries,Nature451(2008)652–657,https://doi.org/10.1038/451652a.

[4]Y.Ding,Z.P.Cano,A.Yu,J.Lu,Z.Chen,AutomotiveLi-ionbatteries:currentstatusandfutureperspectives,Electrochem.EnergyRev.2(2019)1–28,https://doi.org/10.1007/s41918-018-0022-z.

[5]D.Bresser,K.Hosoi,D.Howell,H.Li,H.Zeisel,K.Amine,S.Passerini,PerspectivesofautomotivebatteryR&DinChina,Germany,Japan,andtheUSA,J.PowerSources382(2018)176–178,https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.039.

[6]D.Stephens,P.Stout,G.Sullivan,E.Saunders,J.Risser,J.Sayre,Lithium-ionbatterysafetyissuesforelectricandplug-inhybridvehicles,Natl.Highw.TrafficSaf.Adm,2019(ReportNo.DOTHS812418),Washington,DC.