1.2.3 動力電池產業(yè)發(fā)展趨勢分析

世界主要發(fā)達國家均制定了國家層面的動力電池研究發(fā)展規(guī)劃，大力支持動力電池技術和產業(yè)的發(fā)展。

1．美國動力電池國家規(guī)劃

“電動汽車無處不在大挑戰(zhàn)”（EV Everywhere Challenge）是能源部（Department of Energy）清潔能源大挑戰(zhàn)計劃的系列計劃之一，旨在通過研究和產業(yè)等的多方協(xié)作實現(xiàn)技術的快速開發(fā)，在未來10年內實現(xiàn)純電驅動汽車的商業(yè)化（指插電式混合動力汽車和純電動汽車），使純電驅動汽車能夠與常規(guī)燃油車展開競爭，并從經濟性角度為普通消費者所接受。為此，能源部所屬的能源效率和可再生能源辦公室（the Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, EERE）發(fā)布了“電動汽車無處不在大挑戰(zhàn)藍圖”（EV Everywhere Challenge Blueprint），聚焦于動力電池、電驅動系統(tǒng)、車輛輕量化、高效能量控制、充電設施五大領域進行技術開發(fā)，以實現(xiàn)純電驅動汽車的性能提升和成本降低。該藍圖技術目標的實現(xiàn)，可使280英里續(xù)駛里程的純電動汽車在購車5年后，其購買及運行的總成本與類似大小尺寸的燃油車相當?！半妱悠嚐o處不在大挑戰(zhàn)藍圖”重點支持應用于插電式混合動力汽車的鋰離子電池技術研發(fā)，2022年實現(xiàn)電池系統(tǒng)比能量250W·h/kg，能量密度400W·h/L，功率密度2000W/kg，成本125美元/kW·h的目標，其中短期目標（2012—2017年）采用高容量正極材料、高電壓電解液和高容量錫基或硅基合金負極材料，可使電池系統(tǒng)的比能量由100W·h/kg提高到250W·h/kg，但在性能和壽命方面需要開展深入的研究工作；長期目標（2017—2027年）則主要支持后鋰離子電池技術的開發(fā)，如鋰硫、鋰空氣、鎂離子及鋅空氣電池等，在壽命、能量效率、功率密度及其他重要性能參數(shù)等方面開展深入的研究工作，以實現(xiàn)其商業(yè)化應用。圖1-43為電動汽車的動力電池系統(tǒng)技術指標。

為實現(xiàn)上述目標，能源部所屬的能源效率和可再生能源辦公室、能源先進研究項目辦公室和科學辦公室分工合作，共同推動車用動力電池的技術進步。能源效率和可再生能源辦公室的車輛技術項目重點支持先進技術研發(fā)，通過推動動力電池和其他電化學能源儲存裝置的技術開發(fā)，提高混合動力汽車和電動汽車的市場占有率；能源先進研究項目辦公室支持了交通領域電能量存儲電池技術項目（Batteries for Electrical Energy Storage in Transportation，BEEST）和車用下一代能量存儲系統(tǒng)項目（Robust Affordable Next Generation Energy Storage Systems, RANGESS），開發(fā)超越傳統(tǒng)鋰離子電池的高能量密度和低成本動力電池技術，主要包括先進電池體系、電池構造及制造工藝等，設置的電池系統(tǒng)層面指標為：比能量達到200W·h/kg，能量密度達到300W·h/L，循環(huán)壽命達到1000次，成本不高于250美元/kW·h；科學辦公室則通過基礎能源科學項目（Basic Energy Sciences Program, BESP）的能源儲存研究聯(lián)合中心（Joint Center for Energy Storage Research, JCESR），采用新一代納米科學工具，從原子和分子水平上發(fā)現(xiàn)和設計下一代能源儲存技術，在5年內實現(xiàn)能量密度提高5倍，成本降低到目前的1/5。對于交通領域用動力電池，設置的技術目標為：能量密度達到400W·h/kg，功率密度達到800W/kg，循環(huán)壽命達到1000次（80%DOD, C/5），日歷壽命達到15年，成本達到100美元/kW·h。

2．日本動力電池國家規(guī)劃

在日本經濟產業(yè)省（Ministry of Economy, Trade and Industry）的報告中提出了車用動力電池的功率密度、能量密度及成本的目標值。日本經濟產業(yè)省下屬的新能源與工業(yè)技術開發(fā)組織（New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO）牽頭制定了較為詳細的動力電池研發(fā)路線圖和行動計劃，重點對鋰離子電池單體、模塊、標準及評價技術進行研發(fā)項目的設置，開展技術攻關。圖1-44為經濟產業(yè)省設置的動力電池系統(tǒng)相關參數(shù)目標值。

NEDO于2013年發(fā)布了二次電池技術路線圖2013（Battery RM2013），提出了電動汽車用和固定式用二次電池的技術指標，其中對于車用動力電池的能量密度、功率密度及壽命等設置了明確的目標，如表1-5所示。

3．德國動力電池國家規(guī)劃

德國政府為推動電動汽車的發(fā)展，制定了國家電驅動平臺計劃（NPE），通過電池燈塔研發(fā)項目推動在動力電池領域建立單體電池及電池系統(tǒng)的生產能力，在材料開發(fā)及電芯技術、創(chuàng)新性電池設計技術、安全性評估和測試流程、電池壽命的建模和分析及大規(guī)模生產的工藝技術等5個方面開展研發(fā)工作，提出了動力電池系統(tǒng)主要性能參數(shù)：2014年比能量為105W·h/kg，成本為400歐元/kW·h,2017年為110W·h/kg和300歐元/kW·h,2020年為130W·h/kg和280歐元/kW·h。圖1-45為國家電驅動平臺設置的動力電池系統(tǒng)技術指標。

2014年度的電驅動平臺進展報告認為，在電動汽車市場加速階段，核心部件仍然是動力電池系統(tǒng)，低成本高能量密度將有助于推動電動汽車市場快速發(fā)展。鋰離子電池系統(tǒng)的持續(xù)改進和后鋰離子電池技術的開發(fā)是提升能量密度的關鍵，從而提高電動汽車的續(xù)駛里程。由于技術的進步，2025年電池系統(tǒng)能量密度將實現(xiàn)倍增，達到280～300W·h/L的水平；同時大規(guī)模生產和電池化學體系的改進，電池系統(tǒng)的成本將降至200歐元/kW·h以下。未來有可能在不增加電池系統(tǒng)成本的情況下，續(xù)駛里程實現(xiàn)倍增，達到400km，或者在目前續(xù)駛里程200km的情況下成本降低一半以上。

4．韓國動力電池國家規(guī)劃

韓國知識經濟部（Ministry of Knowledge and Economy）大力支持電動汽車用鋰離子電池的研發(fā)工作，著重對鋰離子動力蓄電池單體、模塊、系統(tǒng)及關鍵原材料等進行攻關研究。支持的世界首要材料項目（World Premier Material, WPM）涉及純電動汽車和儲能兩個應用領域，純電動汽車側重于比能量，儲能側重于成本，從高功率、高容量、低成本和高安全性4個方面開展相關技術研究。引導綠色社會的二次電池技術研發(fā)項目下設鋰離子電池關鍵材料、應用技術研究（針對儲能和純電動汽車領域）、評價及測試基礎設施及下一代電池研究—2020電池計劃4個子項目，涵蓋基礎研究、關鍵原材料、測試評價及標準、動力電池應用，以期在韓國打造完善的動力電池產業(yè)鏈。

5．我國動力電池國家規(guī)劃

科技部發(fā)布了“十三五”計劃電動汽車重大項目（2016—2020年），對混合動力用高功率動力電池、純電驅動用高能量型鋰離子動力電池及下一代純電驅動用新型鋰離子電池和新體系電池進行了技術研發(fā)支持。

國務院發(fā)布了節(jié)能與新能源汽車國家規(guī)劃（2012—2020年），對動力電池路線圖進行了大致規(guī)劃，重點支持動力電池的產業(yè)化和電池模塊的標準化，如圖1-46所示。

在國家“十三五”計劃中設立了新能源汽車重點研發(fā)專項（2016—2020年），在動力電池方面，從動力電池新材料體系高比能鋰離子電池、高功率長壽命電池、動力電池系統(tǒng)、高比能二次電池、測試評估等6個方面進行支持，提升鋰離子電池的技術水平，比能量達到300W·h/kg，實現(xiàn)批量應用，開展新型鋰離子電池的技術開發(fā)，比能量達到400W·h/kg，開展新體系電池的技術開發(fā)，比能量達到500W·h/kg。

以中國、美國、日本、韓國、德國等為代表的各國形成產學研的開發(fā)體制，積極開展鋰離子動力電池的技術攻關研究，主要表現(xiàn)為以下3個層次。

（1）鋰離子電池的實用化技術（近期產業(yè)化技術研究）。

（2）鋰離子電池新技術的高性能化技術（近中期性能提升研究）。

（3）創(chuàng)新電池系列大幅度的高性能化技術（中長期探索理論性研究）。

6．動力電池的發(fā)展趨勢

動力電池作為電動汽車最關鍵的零部件，將會持續(xù)得到國際各界政策的扶持和鼓勵發(fā)展，行業(yè)企業(yè)及相關單位也將繼續(xù)投入大量資本和資源，積極推動產業(yè)的快速發(fā)展?？偟膩砜?，動力電池產業(yè)有以下幾個發(fā)展趨勢。

（1）正極材料方面。正極材料主要為尖晶石型錳酸鋰材料，以鎳鈷錳和鎳鈷鋁為代表的層狀材料及以磷酸鐵鋰為代表的橄欖石型結構材料。國外電池企業(yè)主要以錳酸鋰、鎳鈷錳、鎳鈷鋁或其混合材料為主；我國目前以磷酸鐵鋰材料為主，但其比能量進一步提升的空間有限，隨著對動力電池比能量要求的大幅提升，向著鎳鈷錳、鎳鈷鋁或其混合材料的轉換趨勢明顯，如表1-6及圖1-47所示。

（2）負極材料方面。石墨類材料仍然是負極材料主流的選擇（包括人造石墨、天然石墨及中間相碳微球）。隨著對動力電池比能量要求的大幅提升，合金類材料，尤其是硅碳復合材料成為當前及今后一段時間產業(yè)化和應用的重點方向；對于快充型動力電池，鈦酸鋰負極材料仍是首選材料，石墨與軟碳的混合材料亦可滿足要求，如表1-7及圖1-48所示。

（3）隔膜材料方面。聚烯烴材料是隔膜材料主流的選擇，包括聚丙烯和聚乙烯兩大類產品，主要有單層膜和復合膜。為提高動力電池的安全性，對隔膜材料表面進行了表面改性處理，如涂覆無機陶瓷涂層（如三氧化二鋁或二氧化硅等）或有機涂層（如PVDF等）；同時針對動力電池比能量的進一步提升，隔膜材料的薄型化是發(fā)展趨勢，聚乙烯材料將得到廣泛應用。此外，一些新型隔膜材料，如聚酰亞胺、無紡布也得到了一些應用和考核驗證。從提高比能量和安全性角度看，在薄型化的聚乙烯材料基礎上進行表面改性，涂覆有機或無機涂層（如三氧化二鋁或二氧化硅無機涂層等，PVDF有機涂層等），是當前和今后一段時間的主流技術選擇。

（4）電解液方面。六氟磷酸鋰依然是電解液市場的主流產品，在未來一段時間內無替代技術和產品出現(xiàn)，對其造成嚴重威脅。同時一些新型的鋰鹽在市場上出現(xiàn)并得到了初步應用，如雙氟磺酰亞胺鋰鹽（LiFSI）與傳統(tǒng)的六氟磷酸鋰電解質鹽相比，在溶劑中的溶解度及電導率高，具有更寬的工作溫度范圍及更高的安全性，但由于其價格高、高溫儲存穩(wěn)定性差、雜質含量控制難等問題，目前主要作為輔料添加劑與六氟磷酸鋰配合使用。

其中，中短期可實現(xiàn)的動力電池產品體系如表1-8所示。