中科院黄学杰：磷酸铁锂电池产业激烈竞争下的升级方向

2023年9月27日，中科院物理研究所研究员黄学杰受邀在2023年“泰山锂谷”人才创新发展大会暨“绿色低碳·储能未来”产业赋能交流会储能专场上发表了主题为《材料技术创新推动锂离子储能电池升级》的讲话。该会议由山东省科学技术厅、山东省工业和信息化厅、山东省人力资源和社会保障厅、中共泰安市委、泰安市人民政府主办，储能专场由中关村储能产业技术联盟承办。

锂离子电池产业现状

锂离子电池支撑电动汽车产业高速发展

随着新能源产业的快速发展，我国电动汽车产量很快会逼近每年千万辆的大关。2025年预期锂离子电池市场会到2万亿元，其中也包括储能电池。目前电动汽车里面最主要的是二代电池，包括三元电池和铁锂电池，一个是为了满足长程电动汽车需求，一个是为了满足更广泛的电动汽车需求，铁锂占接近7成的比例。

新型电力储能快速增长，锂离子电池占比 94.4%

在储能这块，可以看到铁锂电池比例就更高了。在过去的一段时间，新型储能快速发展，电化学储能是主要的，根据中关村储能产业技术联盟统计，磷酸铁锂电池是主要的储能电池，占94.4%。今天，全球约70%的锂离子电池是在中国生产，有些材料几乎是100%在中国生产的，包括磷酸铁锂材料。

磷酸铁锂电池是最主流的动力和储能电池

磷酸铁锂电池是主要的动力电池，占比约为70%，也是最主要的储能电池。在过去的10年，性能提高了差不多一倍，就是它的能量密度提高了一倍，但是成本变成原来的1/4。今天锂离子电池单体成本已经到了每瓦时5毛钱，售价今年也到了5毛，因为我们的产能建得比较快，所以卷得比较凶，挣钱不易。虽然去年碳酸锂价格暴涨引起一时的电池价格波动，但是大趋势是不变的，目前回到了5毛钱的区间较为正常。

如何应对企业盈利难?

三元锂离子电池成本构成

根据财通电新7月底的分析数据，对于三元电池，正极材料非常贵，有镍、钴等，占电池成本的57.3%，看起来基本都是给正极材料打工的。正极材料里面锂是主要成本，碳酸锂涨价，大家就给锂矿打工了。对于磷酸铁锂电池相对会好一些，正极材料也约占40%成本，总成本要低一些，因此铁锂电池能够大规模应用，它比三元电池有更长的寿命、更好的安全性、更低的成本。

中国磷酸铁锂电池产业全球领先

1. 在中国动力电池发展初级阶段避免了出现社会不能承受的大量安全事故。

2. 原材料不依赖于钴等稀有金属避开了资源供应的限制。

3. 成本较低使得电动汽车推广代价稍低一些。

4. 储能电池绝大部分选用磷酸铁锂电池。

5. 全球99%以上的磷酸铁锂材料和电池由中国企业生产。

磷酸铁锂电池产业竞争激烈下的升级方向

储能电池循环次数需提升到10000次以上

十几年前磷酸铁锂电池循环次数即可做到6000次，今天这个寿命并没有增加，但是成本是大幅度下降了，因为在车用这块儿更多是降成本，但是对电力储能，万次寿命是必需的。

怎么样解决这个万次循环的问题?就需要发展一个新的材料，叫做加锂材料，也叫补锂材料。

为什么要补锂?锂离子电池是靠锂离子在正极和负极之间来回输运来储藏电能的。锂离子电池的正负极如同两个水桶，锂离子如同是水，充电时，锂离子从正极向负极移动，正如正极水桶中的水灌入负极水桶中，一些水不可避免的撒到外面!造成活性锂离子的损失和电量下降。加锂技术是在电池内部引入额外的锂源，在负极锂缺失时快速的进行补充，保持电池的满电量循环。

怎么补锂?两个办法：一个补到正极，另一个补到负极，简单理解把这百分之十几的锂补进去，进而达到1万次的水平。在负极里面补锂，要用活性很高的锂源，在实验室里面做可以，量产就碰到了安全的问题。正极里面补锂，运用硅酸锂等稳定的锂源，锂在电池早期循环阶段就释放出来，明显提升了电池的循环性能，还因为二氧化硅等副产物发挥的作用，使得电池倍率性能也得到提高。

车用储能和户储需要更低价格

电力储能要超长的寿命，车用储能和户储不要超长寿命，而是要更低的价格。怎么降低价格?磷酸铁锂电池已经不赚钱了，怎么降价格?

这里面引入一个新材料——镍锰酸锂，电压提升了40%还要多，这种提升首先带来能量密度的提升，加上材料本身密度高，电池能量密度提升了50%，它还省锂，成本更优。

发展镍锰酸锂电池是平衡资源供应的重大战略

现在为什么碳酸锂掉到十几万，还在往下掉?因为现在大量的投资从前两年被投到开采行业，投到冶炼行业，所以开始进入到过剩周期，但是全球都在发展电动车，都在推进储能。

如果没有别的办法，预测到2027年又会进入到短缺周期，这个短缺可能会非常可怕，这会导致更大的缺口。为什么国家在战略性角度来讲，支持钠离子电池的研发，就怕到时候供应短缺加上国际上供应链干扰，会导致我们锂供应出问题。

镍锰酸锂和今天的磷酸铁锂比，每度电的电池少用30%的碳酸锂，跟三元比少用40%，这对于缺口的解决很重要，所以说这件事也变得很紧迫起来。但是把电压提高，比把水电站水坝的高度提高还要困难得多，因为它带来的是界面上的不稳定，好处有很多，但是最大缺点就是这么高的电压，造成材料不稳定了，原子受不了了，这个问题怎么解决?

镍锰酸锂电池发展趋势

先解决材料问题，材料到了5000次以后，接着解决材料变极片的技术，一步一步调整，今天我们能够做到3000次以上的寿命，再努力一把，做出4000、5000次的，以后我们就能更好的利用它。

安全怎么样?为了解决高压问题，做了几重加固，这种加固有利于安全性提升。

这件事情做出来以后，它并不是作为某个电池企业的独门技术，就跟加锂技术一样，完全开放给行业。希望在2027年我们锂短缺到来之前，我们能够解决这个问题。所以时间已经非常紧迫了，必须要全行业一起来努力，尽可能通过技术的研发，通过新技术在全行业的推广，大幅度提升性能，降低成本，服务于行业的可持续发展。