1.2.3 动力电池产业发展趋势分析

世界主要发达国家均制定了国家层面的动力电池研究发展规划，大力支持动力电池技术和产业的发展。

1．美国动力电池国家规划

“电动汽车无处不在大挑战”（EV Everywhere Challenge）是能源部（Department of Energy）清洁能源大挑战计划的系列计划之一，旨在通过研究和产业等的多方协作实现技术的快速开发，在未来10年内实现纯电驱动汽车的商业化（指插电式混合动力汽车和纯电动汽车），使纯电驱动汽车能够与常规燃油车展开竞争，并从经济性角度为普通消费者所接受。为此，能源部所属的能源效率和可再生能源办公室（the Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, EERE）发布了“电动汽车无处不在大挑战蓝图”（EV Everywhere Challenge Blueprint），聚焦于动力电池、电驱动系统、车辆轻量化、高效能量控制、充电设施五大领域进行技术开发，以实现纯电驱动汽车的性能提升和成本降低。该蓝图技术目标的实现，可使280英里续驶里程的纯电动汽车在购车5年后，其购买及运行的总成本与类似大小尺寸的燃油车相当。“电动汽车无处不在大挑战蓝图”重点支持应用于插电式混合动力汽车的锂离子电池技术研发，2022年实现电池系统比能量250W·h/kg，能量密度400W·h/L，功率密度2000W/kg，成本125美元/kW·h的目标，其中短期目标（2012—2017年）采用高容量正极材料、高电压电解液和高容量锡基或硅基合金负极材料，可使电池系统的比能量由100W·h/kg提高到250W·h/kg，但在性能和寿命方面需要开展深入的研究工作；长期目标（2017—2027年）则主要支持后锂离子电池技术的开发，如锂硫、锂空气、镁离子及锌空气电池等，在寿命、能量效率、功率密度及其他重要性能参数等方面开展深入的研究工作，以实现其商业化应用。图1-43为电动汽车的动力电池系统技术指标。

为实现上述目标，能源部所属的能源效率和可再生能源办公室、能源先进研究项目办公室和科学办公室分工合作，共同推动车用动力电池的技术进步。能源效率和可再生能源办公室的车辆技术项目重点支持先进技术研发，通过推动动力电池和其他电化学能源储存装置的技术开发，提高混合动力汽车和电动汽车的市场占有率；能源先进研究项目办公室支持了交通领域电能量存储电池技术项目（Batteries for Electrical Energy Storage in Transportation，BEEST）和车用下一代能量存储系统项目（Robust Affordable Next Generation Energy Storage Systems, RANGESS），开发超越传统锂离子电池的高能量密度和低成本动力电池技术，主要包括先进电池体系、电池构造及制造工艺等，设置的电池系统层面指标为：比能量达到200W·h/kg，能量密度达到300W·h/L，循环寿命达到1000次，成本不高于250美元/kW·h；科学办公室则通过基础能源科学项目（Basic Energy Sciences Program, BESP）的能源储存研究联合中心（Joint Center for Energy Storage Research, JCESR），采用新一代纳米科学工具，从原子和分子水平上发现和设计下一代能源储存技术，在5年内实现能量密度提高5倍，成本降低到目前的1/5。对于交通领域用动力电池，设置的技术目标为：能量密度达到400W·h/kg，功率密度达到800W/kg，循环寿命达到1000次（80%DOD, C/5），日历寿命达到15年，成本达到100美元/kW·h。

2．日本动力电池国家规划

在日本经济产业省（Ministry of Economy, Trade and Industry）的报告中提出了车用动力电池的功率密度、能量密度及成本的目标值。日本经济产业省下属的新能源与工业技术开发组织（New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO）牵头制定了较为详细的动力电池研发路线图和行动计划，重点对锂离子电池单体、模块、标准及评价技术进行研发项目的设置，开展技术攻关。图1-44为经济产业省设置的动力电池系统相关参数目标值。

NEDO于2013年发布了二次电池技术路线图2013（Battery RM2013），提出了电动汽车用和固定式用二次电池的技术指标，其中对于车用动力电池的能量密度、功率密度及寿命等设置了明确的目标，如表1-5所示。

3．德国动力电池国家规划

德国政府为推动电动汽车的发展，制定了国家电驱动平台计划（NPE），通过电池灯塔研发项目推动在动力电池领域建立单体电池及电池系统的生产能力，在材料开发及电芯技术、创新性电池设计技术、安全性评估和测试流程、电池寿命的建模和分析及大规模生产的工艺技术等5个方面开展研发工作，提出了动力电池系统主要性能参数：2014年比能量为105W·h/kg，成本为400欧元/kW·h,2017年为110W·h/kg和300欧元/kW·h,2020年为130W·h/kg和280欧元/kW·h。图1-45为国家电驱动平台设置的动力电池系统技术指标。

2014年度的电驱动平台进展报告认为，在电动汽车市场加速阶段，核心部件仍然是动力电池系统，低成本高能量密度将有助于推动电动汽车市场快速发展。锂离子电池系统的持续改进和后锂离子电池技术的开发是提升能量密度的关键，从而提高电动汽车的续驶里程。由于技术的进步，2025年电池系统能量密度将实现倍增，达到280～300W·h/L的水平；同时大规模生产和电池化学体系的改进，电池系统的成本将降至200欧元/kW·h以下。未来有可能在不增加电池系统成本的情况下，续驶里程实现倍增，达到400km，或者在目前续驶里程200km的情况下成本降低一半以上。

4．韩国动力电池国家规划

韩国知识经济部（Ministry of Knowledge and Economy）大力支持电动汽车用锂离子电池的研发工作，着重对锂离子动力蓄电池单体、模块、系统及关键原材料等进行攻关研究。支持的世界首要材料项目（World Premier Material, WPM）涉及纯电动汽车和储能两个应用领域，纯电动汽车侧重于比能量，储能侧重于成本，从高功率、高容量、低成本和高安全性4个方面开展相关技术研究。引导绿色社会的二次电池技术研发项目下设锂离子电池关键材料、应用技术研究（针对储能和纯电动汽车领域）、评价及测试基础设施及下一代电池研究—2020电池计划4个子项目，涵盖基础研究、关键原材料、测试评价及标准、动力电池应用，以期在韩国打造完善的动力电池产业链。

5．我国动力电池国家规划

科技部发布了“十三五”计划电动汽车重大项目（2016—2020年），对混合动力用高功率动力电池、纯电驱动用高能量型锂离子动力电池及下一代纯电驱动用新型锂离子电池和新体系电池进行了技术研发支持。

国务院发布了节能与新能源汽车国家规划（2012—2020年），对动力电池路线图进行了大致规划，重点支持动力电池的产业化和电池模块的标准化，如图1-46所示。

在国家“十三五”计划中设立了新能源汽车重点研发专项（2016—2020年），在动力电池方面，从动力电池新材料体系高比能锂离子电池、高功率长寿命电池、动力电池系统、高比能二次电池、测试评估等6个方面进行支持，提升锂离子电池的技术水平，比能量达到300W·h/kg，实现批量应用，开展新型锂离子电池的技术开发，比能量达到400W·h/kg，开展新体系电池的技术开发，比能量达到500W·h/kg。

以中国、美国、日本、韩国、德国等为代表的各国形成产学研的开发体制，积极开展锂离子动力电池的技术攻关研究，主要表现为以下3个层次。

（1）锂离子电池的实用化技术（近期产业化技术研究）。

（2）锂离子电池新技术的高性能化技术（近中期性能提升研究）。

（3）创新电池系列大幅度的高性能化技术（中长期探索理论性研究）。

6．动力电池的发展趋势

动力电池作为电动汽车最关键的零部件，将会持续得到国际各界政策的扶持和鼓励发展，行业企业及相关单位也将继续投入大量资本和资源，积极推动产业的快速发展。总的来看，动力电池产业有以下几个发展趋势。

（1）正极材料方面。正极材料主要为尖晶石型锰酸锂材料，以镍钴锰和镍钴铝为代表的层状材料及以磷酸铁锂为代表的橄榄石型结构材料。国外电池企业主要以锰酸锂、镍钴锰、镍钴铝或其混合材料为主；我国目前以磷酸铁锂材料为主，但其比能量进一步提升的空间有限，随着对动力电池比能量要求的大幅提升，向着镍钴锰、镍钴铝或其混合材料的转换趋势明显，如表1-6及图1-47所示。

（2）负极材料方面。石墨类材料仍然是负极材料主流的选择（包括人造石墨、天然石墨及中间相碳微球）。随着对动力电池比能量要求的大幅提升，合金类材料，尤其是硅碳复合材料成为当前及今后一段时间产业化和应用的重点方向；对于快充型动力电池，钛酸锂负极材料仍是首选材料，石墨与软碳的混合材料亦可满足要求，如表1-7及图1-48所示。

（3）隔膜材料方面。聚烯烃材料是隔膜材料主流的选择，包括聚丙烯和聚乙烯两大类产品，主要有单层膜和复合膜。为提高动力电池的安全性，对隔膜材料表面进行了表面改性处理，如涂覆无机陶瓷涂层（如三氧化二铝或二氧化硅等）或有机涂层（如PVDF等）；同时针对动力电池比能量的进一步提升，隔膜材料的薄型化是发展趋势，聚乙烯材料将得到广泛应用。此外，一些新型隔膜材料，如聚酰亚胺、无纺布也得到了一些应用和考核验证。从提高比能量和安全性角度看，在薄型化的聚乙烯材料基础上进行表面改性，涂覆有机或无机涂层（如三氧化二铝或二氧化硅无机涂层等，PVDF有机涂层等），是当前和今后一段时间的主流技术选择。

（4）电解液方面。六氟磷酸锂依然是电解液市场的主流产品，在未来一段时间内无替代技术和产品出现，对其造成严重威胁。同时一些新型的锂盐在市场上出现并得到了初步应用，如双氟磺酰亚胺锂盐（LiFSI）与传统的六氟磷酸锂电解质盐相比，在溶剂中的溶解度及电导率高，具有更宽的工作温度范围及更高的安全性，但由于其价格高、高温储存稳定性差、杂质含量控制难等问题，目前主要作为辅料添加剂与六氟磷酸锂配合使用。

其中，中短期可实现的动力电池产品体系如表1-8所示。