高性能鋰離子電池的最新發(fā)展已經(jīng)引發(fā)了現(xiàn)代社會的深刻變革。啟用無線通信后，鋰離子電池為汽車行業(yè)全面過渡到電動化時代鋪平了道路。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)濟上也投入了大量的人力和物力。第12屆國際先進動力鋰離子電池年度會議（AnnualInternationalConferenceonAdvancedLithiumBatteriesforAutomobileApplications,ABAA-12）于2019年十月在德國烏爾姆舉辦，來自我國，德國，日本，歐盟委員會和美國的諸多政策制定者們，對如何推動鋰離子電池技術(shù)在電動汽車中的應(yīng)用提出了富有建設(shè)性的意見，對相關(guān)愿景進行了深入的描述。這篇前瞻性文章的目的旨在對當前各國的研發(fā)趨勢以及電動汽車在大眾市場中的滲透給出一定見解。

【背景導讀】

全球人口的不斷上升以及城市的擴展，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)了道路運輸，家庭能源存儲電氣化的第一步，更廣泛地講，減少了社會整體有關(guān)化石燃料的依賴。確實，鋰離子電池技術(shù)的成功正在加速社會能源結(jié)構(gòu)向可再生能源的過渡，并擴大對電動汽車（Electricvehicles,EVs）的接受度和市場滲透率。預(yù)計到2028年將有2億輛各類電動汽車投入使用。自1991年Sony首次商業(yè)化鋰離子電池以來，它們的性能不斷被提高以實現(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，為了推動現(xiàn)代社會可目睹的能源革命，還是要進一步的提升[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)動的電動汽車要與由傳統(tǒng)內(nèi)燃機（Internalcombustionengines,ICE）驅(qū)動的汽車競爭已不是一件容易的事，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機已經(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政支持正在推動鋰離子電池的研發(fā)工作，電動汽車的大規(guī)模生產(chǎn)和電池的商業(yè)化。因此，瑞典皇家科學院基于鋰離子電池技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用對我們整個社會取得巨大進步的影響，將2019年諾貝爾化學獎授予該突破性技術(shù)發(fā)明的三位科學家：AkiraYoshino,M.StanleyWhittingham和JohnB.Goodenough。

【文章正文】

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

2.政策激勵：盡管如此，期望鋰離子電池技術(shù)的所有關(guān)鍵性能指標（即安全性，能量，功率和成本）將進一步改善，從而擴大終端客戶對混合動力（HybridEV,HEV），插電式混合動力（Plug-inhybridEV,PHEV）或純電動動力（BEV）等電動汽車的接受程度。此類改善重要是由汽車行業(yè)推動的，事實上，即使2017年電動汽車的份額“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，電動汽車份額在接下來的一年中上升了兩倍以上，在2019年達到了略高于3%。其中銷售PHEV和BEV車型受到中央政府激勵措施的大力推動，這可以被視為補貼優(yōu)惠（購買補貼）或者稅收優(yōu)惠。在歐盟，幾乎所有成員國都在擴大此類激勵措施，而一些成員國已經(jīng)宣布禁止傳統(tǒng)內(nèi)燃機的汽車銷售（如圖2）。

圖2.計劃禁止（純粹）以汽油為動力的汽車進行注冊（以年為單位）以及購買電動汽車具有補貼的歐洲國家/地區(qū)總體概覽（以綠色“對號√”表示）

在美國，我國和日本也提出了相應(yīng)的激勵措施。這些框架計劃無疑為新增全球電動汽車注冊量（如圖3a）和累計銷量（如圖3b）做出了貢獻，兩者均顯示出了驚人的上升率。要指出的是，盡管2019年我國和美國對電動汽車的財政支持減少了，因此導致了全球范圍內(nèi)新電動汽車較低的注冊上升率（+4%），但這些國家的銷量無論如何都接近了之前的水平。而在歐洲的銷售額進一步新增（數(shù)據(jù)來源：ZSWDataServiceRenewableEnergies）。

圖3.全球電動化市場中，電動汽車存量和注冊量的年度數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來源：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)燃機動力汽車相比，電動汽車的購買成本仍相對較高（至少在沒有大量補貼的情況下）可能仍然使消費者望而卻步。在這方面，由于總產(chǎn)量的進一步上升以及使用比鈷更便宜的金屬，預(yù)計電池成本將在未來幾年內(nèi)逐步下降（如圖4）。盡管如此，必須指出的是，在2010-2018年的時間范圍內(nèi)，在電池包層級上每度電（KWh）的價格已下降了85%（數(shù)據(jù)來源：BloombergNEF）。NEDO的2030年下一代電池的研發(fā)目標顯示，電池包的價格有望進一步下降（如圖4），到95美元/kWh。

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

如前所述，鋰離子電池的改進很可能會體現(xiàn)在所有的重要性能指標上。而此，安全性被認為是最重要的。必須指出，由美國國家公路交通安全管理局（USNationalHighwayTrafficSafetyAdministration,NHTSA）出具的一份報告顯示，有關(guān)發(fā)生電化學失效風險的結(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]。”顯然安全性仍必須進一步提高，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)計充電時間為10-15分鐘或更短，將使電動汽車的行駛里程延長至500公里（即約300英里）以上，這與以傳統(tǒng)內(nèi)燃機為動力的汽車加油需求相當。如圖5所示，在策略上如何達到大部分都符合要求的性能目標，可預(yù)見未來技術(shù)要使用改進的液體電解質(zhì)和/或固態(tài)電解質(zhì)，無鈷陰極材料，更好地理解電化學反應(yīng)界面以及從長遠來看如何二次利用工作后的鋰離子電池。此外，越來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，韓國和日本。但是，為了應(yīng)對產(chǎn)量的不斷攀升，必須新增全球產(chǎn)量以應(yīng)對汽車行業(yè)的整體需求。就歐洲而言，已經(jīng)規(guī)劃了超過300GWh/年的產(chǎn)量，而在美國，TESLA計劃將電池總產(chǎn)量提高至22GWh/年。然而，隨著電動汽車的不斷發(fā)展，全球要更多的產(chǎn)量。

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

【總結(jié)】

2019年十月在德國烏爾姆舉辦第12屆汽車應(yīng)用領(lǐng)域國際先進鋰離子電池年度會議（ABAA-12），供應(yīng)了由國內(nèi)（國際）資助計劃支持下的當前和未來各項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），CAS（我國），DG研究與創(chuàng)新（歐盟委員會），DOE（美國），NEDO（日本）等政府機構(gòu)的重要活動，指南和路線圖的報告。

【參考文獻】

[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.