储能锂离子电池产业化发展趋势

曾乐才

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070）

进入21世纪以来，全球可再生能源将加速发展，到2010年，风电、光伏的装机容量已分别达到199.5GW、15GW，根据预测，到2020年，全球风电、光伏将分别达到1 260GW、200GW。我国可再生能源也进入快速发展期，预计从2010年到2020年，我国风电与光伏的装机容量将分别从44.7GW、1GW增加到200GW、20GW。

可再生能源的主要特点是：间歇式、波动幅度大、难准确预测。可再生能源的快速发展促使电网向智能化方向发展。传统电网发电侧可控，按需发电，即发即用，电力传输基本上按峰值设计；可再生能源需按资源发电，如果电力传输继续按峰值设计将浪费大量资源，目前许多资产利用率仅30%，通过拼资源发展不可持续。

储能技术是可再生能源发电并网和智能电网的构建的关键技术。

根据国家电网专门机构对风电入网的研究结果，储能容量需配到风电装机容量的20%～30%，参见图1［1］。我国风机装机容量快速增长，储能潜在市场需求巨大。

图1 风电出力保证曲线

1 储能需求特点

应用储能技术可实现削峰填谷、提高供电可靠性、改善电能质量。储能技术可应用于新能源的负荷平衡、平滑入网、发电厂的负荷平衡、工厂与建筑的削峰、应急供电、负荷平衡、家用电动车充电、太阳能储能以及变电站辅助服务如频率调整、平稳风能供电、负荷平衡等［2］（见图2）。

根据功率与放电时间要求的不同，可将储能需求划分为。

（1）放电时间＞1h：能量型需求。

（2）放电时间＜15min：功率型需求。

在电网储能领域，由于场地相对不受限制，更关注的是循环寿命及成本。储能技术大规模推广应用的主要评价指标包括［3］。

（1）系统规模。为保证储能系统出力的有效性，系统容量应在MW／MWh以上，同时应确保系统在此容量级别下的安全性。

（2）技术水平。包括储能系统的循环寿命、系统效率及比能量3个指标，一般要求循环寿命在5 000次以上，系统效率在80%以上。

（3）经济因素。要取得经济效益，参照峰谷电价差，要求储能系统单位循环寿命的综合造价满足以下要求：

其中，η为系统充放电循环效率；因此，一般要求初始投资不高于1 500元／kWh。

（4）系统形态。储能系统可以批量化生产，便于安装运行及维护。

从电网储能对储能技术的要求来看，锂离子电池技术是一种有前景的储能技术。

2 锂电池结构、生产流程与关键技术

2.1 锂电池结构

锂离子电池产品主要有3类，即方形电池、圆柱形电池以及铝塑膜包装方形电池（如图3所示，这种电池还包括聚合物软包电池）。储能的锂离子电池产品与小型电池没有本质上的差别，但由于大容量应用的需要，铝塑封装锂离子电池结构有望得到更多的应用。

图3 铝塑封装锂离子电池结构

2.2 锂电池的简要生产流程

方形电池（包括软包装和聚合物电池）生产方式有两种：“卷绕式”与“叠片式”，其中卷绕自动化生产技术速度快、适合生产能量型电池产品；而叠片式采用了多极耳设计，适合生产功率型电池产品。图4为典型的锂离子电池简要生产流程。锂离子电池电极制造技术属共性技术，设备具有一定通用性。整个工艺流程都可以实现自动化生产与过程质量控制。世界大型锂离子电池的生产技术不断进步，国际著名公司如三星、LG、三洋、索尼以及尼桑／NEC等都具有质量可控、速度很快的生产设施与技术。

图4 锂离子电池简要生产流程

2.3 锂电池生产的关键技术

以单电池为例，锂离子电池成本构成如图5所示［4］。正极材料是决定电池成本高低的最重要因素。同时，正极材料的重量约占电池的2／3，正极材料的比能量等性能也决定了电池性能指标的高低。例如，如果正极材料容量提高100%，则电池总额定电容量将提高68%；如果负极材料的电容量提高100%，则电池总额定电容量仅提高12%；因此，可以说，正极材料的发展引领锂离子电池的发展。

图5 锂电池成本构成

锂离子电池关键正极材料种类主要有钴酸锂（LiCoO2）、锰 酸 锂 （LiMn2O4）、三 元 材 料 （Li（NiCoMn）O2）、磷酸铁锂（LiFePO4），主要性能对比如表2所示。

表2 锂离子电池主要正极材料性能对比

锂电池制造的关键与技术瓶颈包括电池设计、组装技术、电池组管理与保护技术、材料、隔膜、电解质等。具体如下：

（1）电池设计。大容量大功率电池的电池结构设计，正负极材料、电解液、隔膜的匹配。

（2）电池组装技术。大容量电池的安全性和单体一致性。

（3）电池组管理与保护技术。良好可靠的电池保护方案对于保证系统充放电性能、温度特性、安全性能、使用寿命以及对于解决电池组单体一致性问题有重要意义。

（4）正极材料理化性能及一致性。正极材料质量与性能是影响电池品质的主要因素，国内生产的多数材料在纯度、粒度、粒度分布、工艺重复性方面仍存在缺陷。

（5）隔膜材料工艺。隔膜是保证锂离子电池安全稳定工作的核心材料，主要难点在于复合材料、厚度、强度、孔径等，目前国内主要依赖进口。

（6）高性能电解液合成技术。电解液的难点主要在于电解质的制备、电解质粘度、热稳定性、温度范围、电解液的阻燃添加剂，目前，最关键电解质成分六氟磷酸锂仍以进口为主。

3 锂电产业链

锂电池产业包括锂矿资源、电池材料、电芯组装、系统应用、电池装备及回收利用等主要环节。锂矿资源的开发与提纯属于资源开发领域；电池材料属于技术与资本密集性产业，材料性能的提升是整个产业突破的关键；电芯组装属于劳动密集型产业，利用工艺手段提高产品一致性是关键；系统应用则取决于对客户市场及需求的深入理解；回收利用市场竞争环境宽松，国家也鼓励该产业的发展，当前回收利用技术的突破成为瓶颈。

正极材料：锂电池正极材料主要包括钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸铁锂等。2010年全球正极材料产量为53 490t，其中，钴酸锂、三元材料分别占48%、33%，我国正极材料产量为27 500t，其中钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂分别占60%、13%、18%、5%，主要生产厂家为北京当升、湖南瑞翔、上海杉杉科技、北大先行。

负极材料：锂离子电池负极材料目前仍以碳材料为主，包括人工石墨、天然石墨和中间相碳微球。2010年全球负极材料产量为26 650t，我国负极材料的总产量为15 000t。我国主要负极材料生产企业包括深圳贝特瑞、上海杉杉科技、深圳斯诺、长沙海容等，其中，深圳贝特瑞2010年产量达到7 600t，成为全球第一。

电解液：2010年我国锂电池电解液产量为15 000t，其中，国泰华荣生产3 500t，排名世界第3。目前，国内电池生产商电解液配套已基本实现国产化，只有少部分使用进口电解液。但作为电解液的主体成分LiPF6，仍主要依靠进口。

隔膜：2010年全球锂电池隔膜产量为3.69×108m2，我国2010年需求量达到1.4×108m2。虽然，我国已开始批量生产中低端用隔膜材料，但隔膜材料的80%仍依靠进口。

日本、中国和韩国是世界3大锂离子电池生产国，其产量占到世界总产量的95%左右。2010年我国生产锂电池20亿只，销售收入达到180亿元。主要应用市场为手机市场占60%，笔记本电脑市场占10%，电动工具占10%，电动自行车占3%，数码产品等占12%，其他占5%。我国前4大锂离子电池企业为天津力神、深圳比克、深圳比亚迪、东莞ATL，2010年产量分别为2.48、1.75、1.62、1.47亿只，4家企业产量占全国总产量的36%。其中只有比亚迪涉及相关材料的研发生产，其他主要以电芯和模块为主，部分企业也开始着手于系统应用领域。目前国际上锂电池价格大约为每千瓦小时800美元，而我国锂电池价格已降到每千瓦小时3 000元。

根据中国化学与物理电源行业协会数据，2010年全球锂离子电池的产量约为50亿只，市场规模约90亿美元。预计到2020年全球市场规模将超过720亿美元［5］（见图6），主要为电动汽车和便携式应用。

图6 锂离子电池市场预测

4 锂电在储能领域的应用

4.1 锂电与其他储能方法比较

锂电与其他储能方法比能量高、效率高，适用于多种用途，既适用于功率性储能需求，也适用于能量性储能需求［2］（见图7），其主要技术性能与其他储能方法对比见表3［6］。从国内储能需求及各类技术发展情况来看，钠硫电池、液流电池、锂电池3种技术最具规模化应用趋势；从技术成熟度和成本下降空间来看，锂电池的产业链较成熟，国内上下游配套基础较好，短时间内成本下降空间较大；因此，短时间内锂电池在储能方面的应用有望占领先机。

图7 各储能技术适用范围对比

4.2 锂电储能应用情况

锂电由于其良好的综合性能及技术成熟度与完整的产业链，在储能应用中占有较重要的地位，如国家电网张北风光储输示范项目在多种储能技术中主要采用锂电储能。近年来，全球多项储能示范工程也采用锂电池技术，见表4。

5 储能锂电技术与产业发展趋势分析

5.1 锂电储能产业发展的主要问题

锂电池的应用领域主要为通讯（Communication）、电脑（Computer）、消费类电子（Consumen）3C等产品，在电动汽车、电网储能等大功率、大容量电池应用领域由于技术成本等原因锂电池的推广应用尚未大规模展开。例如，在能量密度方面，动力锂电池要求在500Wh／kg，而实际为120Wh／kg；价格方面，成本目标为每千瓦小时1 000～1 500元，而实际为每千瓦小时3 000～4 000元等。

表3 锂电与其他储能方法主要技术性能对比

表4 近年来全球锂电池储能示范工程

在锂电池及材料的生产制造方面，目前国内生产企业众多，我国虽然已成为锂电池生产大国，但整体技术水平却相对落后，如生产工艺参差不齐，单体电池性能的一致性难以保证，自主知识产权缺失，容易受制于人。正极材料磷酸铁锂的生产能力快速增长，但生产质量不稳定，与国外水平有明显差距，阻碍其大规模的生产应用。此外，知识产权缺失、原材料国际认证极少等。

5.2 提高锂电性能降低储能系统成本

消费电子、电动汽车及电力储能的发展需要将进一步推动锂离子电池技术的进步，发展高比能量锂离子电池在相当长的一段时间内将是锂电技术的一个最重要的研发方向（见图8）。在储能领域，目前尽管锂电池技术已应用于多个储能示范项目，但在安全性、循环寿命和经济性方面需进一步改进，其中影响产业链发展的关键是材料性能及产品一致性。下一代储能锂电池将朝着高寿命、低成本、高可靠性方向发展。

图8 锂电研究规划（日本NEDO）

根据储能用电池的评价来判断，锂电储能有前景的技术路线包括：① 锰酸锂或三元材料（正极）＋钛酸锂（负极）；② 磷酸铁锂（正极）＋碳体系（负极）。

当前锂电池行业主要处于以技术进步驱动为主的上升阶段，但技术与成本的现状与目标期望存在较大差距，储能用锂电池降低储能系统成本将成为研发重点，根据美国储能技术中长期规划［2］（见表5），降低储能系统成本是其重要目标。

表5 美国储能技术中长期研发规划主要指标

6 结 语

可再生能源的发展与智能电网的建设需要储能技术，锂离子电池比能量高、效率高，技术进步快，既适用于功率性储能需求，也适用于能量性储能需求，并且产业链完整，在目前的示范应用中锂电技术占有先机，但大规模推广应用还需要进一步提高锂电性能，降低储能系统成本。

［1］杨宗麟，朱忠烈，李睿元，等.江苏省沿海典型风电场出力特性分析［J］.华东电力，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］来小康.储能技术十年之内将出现大规模应用拐点［EB／OL］.（2012－12－03）［2011－12－15］.http：／／www.escn.com.cn／2011／0627／33279.html.

［4］中国储能网.锂离子电池产业链投资价值分析［EB／OL］.（2010－12－03）［2011－12－15］.http：／／www.escn.com.cn／2010／1223／2513.html.

［5］中国化学与物理电源行业协会.中国锂电池产业发展分析［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.