特斯拉电动汽车、智能手环………这些名字你可能并不陌生。随着科技的进步和自动化水平的不断提高，锂电池越来越广泛地应用于生产和生活的各个领域。
据中国化学与物理电源行业协会统计，中国已成为全球锂电池发展最活跃的地区。2016年，中国锂电池市场规模约为1115亿元，动力锂电池需求605亿元，同比增长。2020年动力电池需求量将达到2015年的5倍。
虽然我国电池产量世界第一，但是单位产能利润却低于日本。针对电池行业高产量低收益现象，原因在于我国缺乏自主知识产权。与发达国家相比，我国锂电池的核心原材料及部件水平、制作工艺上都仍有一定差距。
数据表明，2017年我国新能源汽车保有量为153万辆，预计2020年将突破500万大关。可我国现在的电动汽车，电池续航能力可能从上海都跑不到苏州。
未来新能源锂电池市场广阔这是显而易见的，但是对我国来说，高端电池还是占据少数，几乎被日本和韩国所垄断。首先，原因在于我国的装备设备比较落后，无法制造出精细的芯片，所以在精密度上有所欠缺。其次就是核心技术的缺失，多数知识产权都掌握在日本手中，我们单位盈利较少。
不过由于锂电池的特殊性，即使容量消耗殆尽最后也能变废为宝。锂电池的使用寿命有限，梯次利用废旧电池可促进循环经济。对于使用过的低容量锂电池，可应用于低速车与储能，待容量耗尽后可进行破碎分解，提取出有效物质，如锰、锂等。而这些都是不可再生资源，可以起到循环经济的作用。
作者简介：狸小猫。意大利传媒硕士。微博读书签约作者、简书签约作者。
由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。
但是由于锂电池的很多优点，锂电池被广泛的应用在电子仪表、数码和家电产品上。但是，锂电池多数是二次电池，也有一次性电池。
少数的二次电池的寿命和安全性比较差。 后来，日本发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。 所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。
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锂电池
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生。
由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。
随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。
最早得以应用于心脏起搏器中。由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。
锂电池一般有高于伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算机，计算器，照相机、手表中。
为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究。从而制造出前所未有的产品。比如，锂二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池就非常有特点。它们的正极活性物质同时也是电解液的溶剂。这种结构只有在非水溶液的电化学体系才会出现。所以，锂电池的研究，也促进了非水体系电化学理论的发展。除了使用各种非水溶剂外，人们还进行了聚合物薄膜电池的研究。
1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小。使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属铬，与镍铬电池相比，大大减少了对环境的污染。
发展进程 1、1970年代埃克森的M。
S。Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。
2、1980年，J。 Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。
3、1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R。 R。
Agarwal和J。R。
Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。
首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。 4、1983年M。
Thackeray、J。Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。
其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 。
在古代，人类有可能已经不断地在研究和测试“电”这种东西了。
一个被认为有数千年历史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格达附近被发现。它有一根插在铜制圆筒里的铁条-可能是用来储存静电用的，然而瓶子的秘密可能永远无法被揭晓。
不管制造这个粘土瓶的祖先是否知道有关静电的事情，但可以确定的是古希腊人绝对知道。他们晓得如果摩擦一块琥珀，就能吸引轻的物体。
亚里斯多德（Aristotle）也知道有磁石这种东西，它是一种具有强大磁力能吸引铁和金属的矿石。 1780年，意大利解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的 *** ，而只用一种金属器械去触动青蛙，却并无此种反就。
伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。伽伐尼于1791年将此实验结果写成论文，公布于学术界。
伽伐尼的发现引起了物理学家们极大兴趣，他们竞相重复枷伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法，意大利物理学家伏特在多次实验后认为：伽伐尼的“生物电”之说并不正确，青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。
结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。 1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。
于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流 *** 。
伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池──“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。
它成为早期电学实验，电报机的电力来源。 意大利物理学家伏特就多次重复了伽伐尼的实验。
作为物理学家，他的注意点主要集中在那两根金属上，而不在青蛙的神经上。对于伽伐尼发现的蛙腿抽搐的现象，他想这可能与电有关，但是他认为青蛙的肌肉和神经中是不存在电的，他推想电的流动可能是由两种不同的金属相互接触产生的，与金属是否接触活动的或死的动物无关。
实验证明，只要在两种金属片中间隔以用盐水或碱水浸过的（甚至只要是湿和）硬纸、麻布、皮革或其它海绵状的东西（他认为这是使实验成功所必须的），并用金属线把两个金属片连接起来，不管有没有青蛙的肌肉，都会有电流通过。这就说明电并不是从蛙的组织中产生的，蛙腿的作用只不过相当于一个非常灵敏的验电器而已。
1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌─铜电池，又称“丹尼尔电池”。
此后，又陆续有去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。但是，这些电池都存在电压随使用时间延长而下降的问题。
1860年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是，当电池使用一段使电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。
因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。 然而，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，因此搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。
也是在1860年，法国的雷克兰士（GeeLeclanche）还发明了世界广受使用的电池（碳锌电池）的前身。它的负极是锌和汞的合金棒（锌-伏特原型电池的负极，经证明是作为负极材料的最佳金属之一），而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物。
在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中。
此系统被称为“湿电池”。雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，所以一直到1880年才被改进的“干电池”取代。
负极被改进成锌罐（即电池的外壳），电解液变为糊状而非液体，基本上这就是现在我们所熟知的碳锌电池。 1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。
干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。 1890年Thomas Edison 发明可充电的铁镍电池 1896年在美国批量生产干电池 1896年发明D型电池. 1899年Waldmar Jungner 发明镍镉电池. 1910年可充电的铁镍电池商业化生产 1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂） 1914年Thomas Edison 发明碱性电池. 1934年Schlecht and Akermann 发明镍镉电池烧结极板. 1947年Neumann 开发出密封镍镉电池. 1949年Lew Urry (Energizer) 开发出小型碱性电池. 1954年Gerald Pearson, Calvin Fuller and Daryl Chapin 开发出太阳能电池. 1956年Energizer.制造第一个9伏电池 1956年我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（755厂）） 1960前后Union Carbide.商业化生产碱性电池，我国开始研究碱性电池（西安庆华厂等三 家合作研发） 1970前后出现免维护铅酸电池. 1970前后一次锂电池实用化. 1976年Philips Research的科学家发明镍氢电池. 1980前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金. 1983年我国开。
锂离子电池 正极材料：可选的正极材料很多，目前主品多采用锂铁盐。
不同的正极材料对照： 发展进程 1 1970年代埃克森的M。S。
Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。 2。
1980年，J。 Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。
3 1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R。R。
Agarwal和J。R。
Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。 与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。
首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。 4 1983年M。
Thackeray、J。Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。
其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 。
电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的电流的需要。
不过，电池的发明，是来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然。 1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的 *** ，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。
伽伐尼认为，出现这种现像是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。 伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法。
而意大利物理学家伏特（Alessandro Volta）在多次实验后则认为：青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。
结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。1799年，伏特成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。
这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。 1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。
然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。干电池的诞生 干电池的鼻祖在19世纪中期诞生。
1860年，法国的雷克兰士（Gee Leclanche）发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解液，逐渐被黏浊状类似糨糊的方式取代，于是装在容器内时，“干”性的电池出现了。 1887年，英国人赫勒森（Wilhelm Hellesen）发明了最早的干电池。
相对于液体电池而言，干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。 如今，干电池已经发展成为一个庞大的家族，种类达100多种。
常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池等。不过，最早发明的碳锌电池依然是现代干电池中产量最大的电池。
在干电池技术的不断发展过程中，新的问题又出现了。人们发现，干电池尽管使用方便、价格低廉，但用完即废，无法重新利用。
另外，由于以金属为原料容易造成原材料浪费，废弃电池还会造成环境污染。于是，能够经过多次充电放电循环，反复使用的蓄电池成为新的方向。
事实上，蓄电池的最早发明同样可以追溯到1860年。当年，法国人普朗泰（Gaston Plante）发明出用铅做电极的电池。
这种电池的独特之处是，当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，并可反复使用，所以称它为“蓄电池”。
1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。如今，充电电池的种类越来越丰富，形式也越来越多样，从最早的铅蓄电池，铅晶蓄电池，到铁镍蓄电池以及银锌蓄电池，发展到铅酸蓄电池、太阳能电池以及锂电池等等。
与此同时，蓄电池的应用领域越来越广，电容越来越大，性能越来越稳定，充电越来越便捷。锂电池的产生 在电池这个领域，锂离子电池和燃料电池成为最令人瞩目的明星。
从上面的故事可以看出，整个电池的发展史也可以说是一个“试试各种金属能不能造电池”的历史。现在电池界最红的金属是“锂”。
锂是所有金属里最轻的，比水还轻，而且特别活泼，需要保存在石蜡里。实际上，当初爱迪生就曾经发明过锂电池，但是由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池长期没有得到应用。
现在，人们对电池“求贤若渴”，这些问题也就不是问题了。恰好锂电池具有能量重量比高、电压高、自放电小、可长时间存放等优点，所以它在近30年中取得了巨大发展。
我们用的计算机、计算器、照相机、手表中的电池都是锂电池。 锂电池组装完成后电池即有电压，不需充电。
这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物做正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。
锂离子电池的优势十分明显：工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长。锂离子电池通过锂离子在正负极之间跑来跑去来充电和放电。
这个领域最牛的技术是“层迭电池结构”，也就是把好多个电池做成很薄的层然后迭在一起，这样可以用很小的体积达到很高的效率。所以，锂离子电池被广泛应用于汽车、笔记本、手机等行业。
后来河南鸿宾电池公司对锂电池进行研发，引入了冷注塑工艺技术，产生了冷注塑电电池---鸿宾电池，也就出现了高容量商务锂离子电池。现在高容量商务电池已进入人们的视线，被更多的人所关注。
燃料电池的发展 除了锂离子电池，还有一种电池很有前途，就是“燃料电池”，它是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生。
1、1970年代埃克森的采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。
2、1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。
3、1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的和发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。
4、1983年、等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。
5、1989年，和发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
6、1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。
7、1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁（LiFePO4），比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。
随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展。1998年，天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上，人们把锂离子电池也称为锂电池，但这两种电池是不一样的。锂离子电池已经成为了主流。
行业主要上市公司：宁德时代(300750);比亚迪(002594);国轩高科(002074);孚能科技(688567);亿纬锂能(300014);鹏辉能源(300438);欣旺达(300207)等
本文核心数据：锂电池板块上市公司研发费用;锂电池相关论文发表数量
全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“lithium battery”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月17日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。
锂电池技术概况
1、技术原理及类型
(1)锂电池技术原理
锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。
(2)锂电池的分类
按照电解质材料、电池外形、外包材料、正极材料、应用领域等不同分类方式，可将锂电池分为以下几类：
2、技术全景图：四大细分技术领域
从锂电池构成来看，锂电池技术主要包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜四个主要细分技术领域。其中，正极材料主要包括磷酸铁锂、三元正极、锰酸锂等;负极材料主要包括碳系材料和非碳系材料;电解质主要包括液态电解质、固液复合电解质和固态电解质;隔膜主要包括干法隔膜和湿法隔膜。
锂电池技术发展历程：正负极材料演变拉动技术发展
从20世纪70年代第一个锂电池出现，到如今五十余年的岁月中，锂离子电池不断发展，负极材料从锂金属发展到碳材料，再试图回到锂金属;正极材料也不断丰富，陆续推出钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。
锂电池技术政策背景：政策加持技术水平提升
近些年来，我国提出了一系列锂离子电池技术发展相关政策，加速了锂离子电池产业链的发展，同时对锂电池的安全性、技术体系、回收体系做出了规范，使得锂电池技术水平稳步提升。
锂电池技术发展现状
1、锂电池技术科研投入现状
(1)国家重点研发计划项目
据已公开的国家重点研发计划项目，2018-2021年我国锂电池技术相关国家重点研发计划项目共计18项。国家重点研发计划项目的资金来源为中央财政经费，一个项目的财政经费在2亿元以上。
(2)A股上市企业研发费用
锂电池行业经过多年发展，产品相对成熟，但行业整体研发投入水平不算太高。从A股市场来看，2017-2021年，我国锂电池板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，锂电池板块上市公司研发总费用约亿元。
2、锂电池技术科研创新成果
(1)论文发表数量
从锂电池相关论文发表数量来看，2010年至今我国锂电池相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见锂电池科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有69366篇锂电池相关论文发表。
注：统计时间截至2022年8月。
(2)技术创新热点
通过创新词云可以了解锂电池技术领域内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中最近5000条专利中最常见的关键词，其中，正极材料、负极材料、电解质、集流体等关键词涉及的专利数量较多，说明锂电池领域近期的研发和创新重点集中于正负极材料、电解质等领域。
(3)专利聚焦领域
从锂电池专利聚焦的领域看，目前锂电池专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于锂电池、锂离子电池、正极材料、负极材料、电解液等。
主要锂电池技术对比分析
根据分析磷酸铁锂、三元锂电池的技术特性，可以看出磷酸铁锂电池在安全性、经济性、原材料丰富度和循环寿命方面优势明显，而三元锂电池在能量密度、低温性能和充电效率方面优势明显。因此，磷酸铁锂电池技术更适合用于中短距离用车(中低端车型)、电动自行车、储能等场景;三元锂电池技术更适用于长距离用车(高端车型)、消费电子、医疗等场景。
锂电池技术发展痛点及突破
1、锂电池技术发展痛点
(1)缺乏高能量密度的正负极材料产业化应用
尽管锂离子电池技术和市场快速发展使得电池能量密度已有明显提升，然而缺乏可行的未来正极材料来继续提高锂离子电池的能量密度，给锂离子电池产业持续发展带来了重大挑战。
(2)锂离子电池安全问题亟待解决
另一方面，锂离子电池安全问题也是锂离子电池技术发展的痛点之一。锂离子电池安全问题的根源主要是电池的热失控。主要是由于锂离子电池内部具有很强的燃爆条件，其内部的易燃性材料如低熔点可燃有机脂类化合物、石墨负极材料都会成为相应的“燃料”，在充放电以及运行过程中不当的热管理将成为锂电池安全事故的导火索，最终引发燃爆事故。
2、锂电池技术发展突破
(1)锂电池结构创新设计
锂电池电芯集成方式的革新是锂电池的重要结构创新，例如CTP(Cell To Pack)即跳过标准化模组环节，直接将电芯集成在电池包上，提高能量密度。
(2)固态电池技术
目前，锂离子电池面临着安全性差的问题，固态电池可在安全性、能量密度、温度范围等方面突破锂离子电池的局限。
锂电池技术发展方向及趋势：短期提高电池能量密度、长期技术路线多元化
短期内，提高锂电池能量密度主要通过对现有材料体系的迭代升级和电池结构革新来实现。其中，锂电池材料体系的迭代升级包括正负极材料、电解液和隔膜的迭代升级;电池结构革新又包括电芯、模组、封装方式等的结构改进和精简。
从长期来看，由于磷酸铁锂电池能量密度上限较低，并且为了应对不同应用场景下的不同需求，锂电池技术路线将朝多元化方向发展。除了酸铁锂电池和三元锂电池之外，固态电池、磷酸锰铁锂电池、富锂锰基电池等新型锂电池技术路线的发展趋势向好。
「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。
以上数据参考前瞻产业研究院《锂电池行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。
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新能源车到底与普通汽车版汽车到底差别在哪里？绝对不仅仅是“血液”的问题。更多的结构性的变化也尽在其中。以下对新能源的技术做细节的比对，新能源车的心脏到底有何不同？它们都有着什么样的技术，它们对节能环保都起到了哪些作用，是什么样的工作原理在支持……才能描绘出令人惊赞的低碳节能的工作成绩。弱混与强混的油电混合技术在北京车展上，大家可以看到的混合动力车型主要有“弱混”、“强混”和“双模”三种技术类型。其中，“弱混”车型的工作状态是车辆在启动时电动机开始工作，汽油发动机并没有点火工作，所有的设备工作都是依靠动动机来提供动力。当你松开制动踏板踩下油门起步时，汽油发动机才会启动工作。当用户深踩油门加速时，汽油发动机和电动机将同时协同工作，让提速变的更加明显。当车辆在高速行驶时动力则完全来自汽油发动机，也就是说电动机只是在汽车加速时介入。如果当前方遇到红灯用户踩下刹车减速时，车辆的动能并不是像普通车辆那样转化为制动系统的热能而被白白浪费掉，此时电动机将变身为发电机，它回收损失掉的动能，并以电能的形式存于蓄电池中。这种刹车就会给电池充电相当于“免费加油”的畅快感觉正是混合动力车的魅力所在，是普通车辆所无法给予的。在车辆停稳怠速时，汽油发动机将会关闭，此时只有电动机工作，这就避免了怠速时所产生的高油耗，同时也实现了零油耗和零排放，之后车辆起步时又会重复上面的工作流程。从上述的工作状态我们可以看出“弱混”车型主要节油环节在于点火时发动机并不启动，怠速时发动机也是关闭的，起步和加速时电动机可以提供动力辅助，刹车时可以把损失的动能转化为电能，高速行驶时多余的能量还能被转化为电能储存在蓄电池中，这就降低了燃油释放能量的损失，提升了燃油的利用效率。同时还有一点值得读者注意的就是，混合动力车型由于加速过程中有电动机提供动力辅助，因此其一般都采用的是小排量汽油发动机，就可以达到大排量发动机的动力感受(有点类似增压发动机的味道)，这在一定程度上也节约了燃油。“弱混”技术的优势就是制造成本相对低廉，能很好平衡技术与售价的关系，电动系统体积相对小巧不会占用过多空间。和“弱混”相对的技术就是“强混”，其特点是动力系统以电动机为基础动力，汽油发动机为辅助动力。与“弱混”不同的是“强混”电动机的功率更为强大，完全可以满足车辆在起步和低速时的动力要求。因此“强混”车型无论是在起步还是低速行驶状态下都不需要启动发动机，仅依靠电动机都可以完全胜任，在低速状态下完全就是一款“电动车”的姿态。当踩下油门加速时，随着速度的提升汽油发动机就会启动和电动机通过智能系统来协同高效的工作。当车速达到汽油发动机的经济时速时，汽油发动机的优势得以全面发挥，并成为车辆的主要动力来源，同时汽油发动机产生多余的能量会用来带动发电机为电池充电。在急加速和全速运行状态下车辆需要极大的驱动力，因此电动机也会全速运行协同高速运转的汽油发动机同时发挥两者的最大性能，进而达到1 1的效果。当用户遇到状况刹车时，汽油发动机和电动机就会立即停止动力供应，达到节约燃油和电能的目的，同时利用车辆动能带动发电机为电池充电。从上述的工作状态我们可以看出“强混”车型主要节油环节除了拥有“弱混”特点之外，其还具有在车辆起步和低速行驶时完全依赖电动机驱动的能力，很好的解决了城市行车中起步、停车、再起步时的油耗很高的问题，因此“强混”可以说是“弱混”的进化版本，克服了“弱混”需要频繁启动汽油发动机的问题，从而进一步的降低了油耗。“强混”可以说是一种比较优秀的解决方案，非常适合拥堵的城市中需要频繁起步停车的行驶状态。在这样的拥堵的行驶状态下可以实现零油耗零排放。当然要享受这些好处的前提就是要付出比“弱混”更高的价钱和为性能更强大的电动机和电池组牺牲些空间。除了“弱混”和“强混”之外还有一类比较特殊的混合动力车型在国内销售，那就是中国第一款完全自主技术的比亚迪F3DM双模电动车。所谓“双模”就是在电动车系统(EV)的基础上又加入了一个混合动力系统(HEV)，“双模”可以说是“强混”的升级加强版。目前市售的“双模”车型只有比亚迪F3DM一款。自然能源转换电动车技术这项技术集光电转换、风电转换和二氧化碳吸附转换等自然能源转换技术概念于一身，属于新能源车技术中的未来流派。上汽集团在世博会及北京车展上发布的“叶子”概念车就运用了这一技术。当然，“叶子”这项新能源车技术展示还是以理念为主。“叶子”在设计中以电能为主要动力来源，其技术核心是自然能源转换技术。车顶的一片巨型叶子是一部高效的光电转换器，可吸收太阳能转化为电能；而阳光追踪系统，则可以使叶片上的太阳能晶体片可随太阳照射方向而转动，提高光能吸收效率。其四个车轮就是四个风力发电机，通过捕捉散逸的风能，将风能转变成电能，充入自身电池储存能源，形成辅助电驱动系统，最大限度拓展利用新能源。其体采用可吸附二氧化碳的有机金属结构(MOFs)，能模拟绿色植物从空气中捕获二氧化碳和水分子，在微生物的作用下释放出电子，形成电流。生物燃料电池再将产生的电能给锂电池充电，由电机驱动汽车。同时，它还能将光电转换中排放的高浓度二氧化碳通过激光发生器转化为电能为车内照明，或转化为车内空调制冷剂，不仅仅是“零排放”，更是“负排放”的实现，净化空气。增程型电动车技术增程型电动车技术，也是目前新能源车技术的一大流派，这一技术流派的特点是电力驱动车辆行驶的主要能源，而汽油则是它的备用能源。例如，通用雪佛兰Volt就运用了这样的技术。与传统意义上的混合动力汽车相比，增程型电动汽车有着非常明显的不同之处。在一辆增程型电动汽车上，车辆是全程由电动系统来驱动的，而在传统混合动力汽车上，车辆是通过电动机或燃油发动机来驱动，或是两者共同工作来驱动的。在行驶距离较短的情况下，增程型电动汽车的行驶完全仅仅依靠车载电池组提供的电力来完成，而在相对较长的行驶距离情况下，可以由内燃机或者燃料电池提供额外的电能来驱动车辆。电池组和动力推进系统经过精准的设置，可以使车辆在由电池组提供足够的电能的时候，不需要发动机或者燃料电池进行工作来产生额外的电力。在纯电力驾驶过程中，电池组的电能完全可以保证仅需要使用电力就能够保证车辆顺利实现加速、高速行驶，以及爬坡等各种性能。以下以雪佛兰Volt为例，详细解析增程型电动车技术。具体来说，Volt首先依靠电池所储存的电力行驶，然后依靠汽油发动发电机产生的电力继续驱动。假设你的Volt电池已充满电，那么Volt可以依靠电池中储存的电力行驶达最多64公里(40英里)，期间可以完全实现“零油耗、零排放”。随着电池电力即将耗尽，增程型汽油发动发电机将自动起动，开始提供为电池提供电力。这样Volt就能继续行驶数百公里，直至有条件再次充电或加油。Volt推进系统全程采用纯电力驱动。当电池的电量快耗尽时，它的车载发动发电机会通过燃烧少量汽油来为车辆供电，足以保证Volt继续行驶数百公里。一般来说，混合动力汽车可依靠升(1加仑)汽油行驶64到96公里(40到60英里)。与电动车不同的是，当今的混合动力汽车不需要通过连接电源进行充电，而是通过收集刹车时产生的能量以及借助发电机来补充电力。在低速行驶时，某些混合动力车型可以依靠电力驱动，并在高速行驶时切换到汽油发动机驱动。混合动力汽车的效率一般赶不上电动汽车，同时环保表现也不如后者。增程型电动车的优点是能够在零油耗和零排放的情况下，行驶64公里(40英里)。即使在电池电量快耗尽时，增程型电动车也仅仅是使用汽油以供增程型发动发电机发电，提供汽车行驶所需的电力。增程型电动车可以在电池电量耗尽后继续行驶，因为增程型汽油发电机会实现无间断启动，提供电力驱动汽车。增程型电动车能够自行产生续航所需电力，而不必停车寻找充电的地方。氢燃料电池车技术氢燃料电池车技术，则是目前新能源车技术的较高级流派，这一技术流派的特点是通过电气化学反应，将氢和氧化合成水，从而直接将化学能转化为电能，电池组通过像这样大量串联的燃料电池，就可以产生足够的电能来驱动汽车。奔驰F800 Style、奥迪Q5HFC和雪佛兰Equinox等都是包含了这项技术的新能源车。以下详细解析氢燃料电池车技术。氢燃料电池车的燃料电池组位于车辆的中心部位。它通过电气化学反应，将氢和氧化合成水，从而直接将化学能转化为电能，在这一过程中并不产生任何实质性的燃烧。具体反应过程为：电池阳极上的氢在催化剂作用下分解为质子和电子，带阳电荷的质子穿过隔膜到达阴极，带阴电荷的电子则在外部电路运行，从而产生电能。在阴极上的氧离子在催化剂作用下和电子、质子化合反应成水。电池组通过像这样大量串联的燃料电池，就可以产生足够的电能来驱动汽车。这类氢燃料电池车通常设置四个座位，空间宽大舒适，并且拥有和传统汽车相比毫不逊色的高安全性能。它配备了司机及前排乘客安全气囊、侧面安全气囊、防抱死刹车系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)以及电子稳定装置(ESP)。与此同时，它的氢燃料存贮装置也十分先进，该装置由三个700巴(1巴=个标准大气压)的高压储氢罐组成，罐体采用碳纤维复合材料，最大氢燃料存储量为千克，这些燃料足以支持最长320公里的行驶里程。氢燃料电池车的设计使用寿命为2年或8万公里，通过在热绝缘以及运行方案等方面进行的一系列改进，新型氢燃料电池车可以在低于零度的气候条件下正常启动及运行，这也是它相比前一代车型的显著进步之一，而在技术上做到这一点对于燃料电池车的推广使用至关重要。以Equinox为例，其燃料电池组由440块串联电池组成，电力输出可达93千瓦，在车载73千瓦(100马力)同步电动机的共同驱动下，0－100公里/小时的加速只要12秒，而这款前驱车型的最高时速可达每小时160公里。车联网电动车技术这一技术流派地融合了电气化和车联网两大技术，几乎可以说是对未来城市个人交通的最新解决方案。同样将展示于世博园区及北京车展的通用EN-V概念车就运用了这项技术。车联网技术，即通过整合全球定位系统导航技术、车对车交流技术、无线通信及远程感应技术奠定了新的汽车技术发展方向，实现了手动驾驶和自动驾驶的兼容。这类电动车体积小巧、移动便利。以EN-V为例，整车重量仅400多公斤，长约米。而目前传统汽车重量超过1500公斤，长度更是EN-V长度的三倍。时下一个传统汽车的停车位可以容纳五辆EN-V，这将极大地提高城市停车面积的利用率。这类电动车的左右两侧车轮分别由各自的电动马达驱动，马达动力由锂电池提供，可通过普通家庭电源进行充电，每次充满电后可行驶40公里，完全实现零排放。同时，可与电网进行信息互换，选择最佳充电时间，充分提高公用电力基础设施的使用效率。这一新汽车技术的重大突破，还在于自动驾驶方面，如变道警告、盲区探测及适应性巡航控制等技术均得到了变革性的运用。至于您说的行业标准和国家法规~一时半会是改不了的 这中间当然需要很多部门的努力 许多环节的进行 以及各界人士的共同努力相互促进相互协调 车展只能说是新科技新发明的展示而已 对于新标准新法规应该也有一定促进作用吧~~！
车东西
文?| Bear
导语：借着电动汽车的行业大潮，动力电池产业迅速崛起，全球已形成中、日、韩三国企业争霸，松下、LG、宁德时代等巨头分庭抗礼的行业格局。
表面的平静背后，新一轮巨变正在酝酿之中——固态电池即将掀起新一轮技术变革浪潮、动力电池白名单去除后日韩企业重回中国市场、全球车企与零部件巨头们也纷纷涉足电池产业，一场大变局即将上演。
为此，车东西特推出《动力电池大变局》系列报道，详解全球动力电池产业的风云变幻，本文为系列报道之一。
特斯拉自产的动力电池终于来了，马斯克的野心从电动汽车产业涌向了动力电池产业，新的血雨腥风将拉开序幕。
今日，据外媒electrek报道，特斯拉的“Roadrunner”动力电池自产计划正式启动，位于美国弗里蒙特大沙漠内的工厂，一条属于特斯拉自己的动力电池生产线正在成型。
整件事件最值得关注的焦点在于，达成规模化生产之后的特斯拉动力电池每度电仅需100美元（约合人民币701元，指每kWh容量电池价格），而根据投资机构瑞银公布的数据，松下当前动力电池每度电的成本约为111美元（约合人民币772元），而宁德时代动力电池的成本则为每度电150美元（约合人民币1042元）。
特斯拉进入动力电池产业的第一件事，就是打掉动力电池产业的价格“底裤”。
▲外媒报道特斯拉正在弗里蒙特工厂建造电池生产线
但除此之外，马斯克的这场动力电池“闪电战”还将在汽车产业与动力电池产业同时掀起浪潮。更多拥有资本与技术的车企在特斯拉的号召下，将会涌入动力电池市场，冲击当前的动力电池产业格局。
在这样关键的节点上，我们有必要找到特斯拉如何突破动力电池产业技术壁垒，一步一步解决电池研发，并最终具备电芯生产能力的秘密。
车东西通过对特斯拉五年以来的投资布局、技术研发情况与产业链布局进行梳理，找到了其中的答案。
一、耗时五年?三元锂电之父助力特斯拉自产电
2020年2月12日，外媒electrek曝料称，特斯拉正在美国弗里蒙特工厂搭建一条动力电池生产线。一时间，特斯拉自产动力电池的消息公之于众，引发了业界震动。
但若非此次媒体曝光，恐怕没有人能想到特斯拉自产动力电池的速度如此之快。
原因在于，与其他大张旗鼓进军动力电池产业的车企不同，特斯拉在这一领域的布局简直可以用低调来形容。
自2015年以来，特斯拉与动力电池相关的投资仅有三笔，分别是对达尔豪斯大学杰夫·戴恩研究小组（Jeff Dahn Research Group）的5年赞助计划、收购电池技术公司Maxwell以及收购电池制造设备公司Hibar。
三笔投资中，特斯拉仅披露了收购Maxwell的金额——亿美元（约合人民币亿元），另外两笔投资的金额与具体细节均未公布。
但正是这三笔投资，凑齐了特斯拉自产电池所需的关键技术——动力电池的电极、电解液、隔膜、电池壳体以及电池的制造工艺。
特斯拉在动力电池领域的布局始于2015年。
以领先于业界的三电技术立身的特斯拉不甘于在动力电池领域受制于松下，更何况彼时松下动力电池的产能爬坡速度远不如特斯拉汽车生产线的产能爬坡速度。
马斯克有预见性地意识到，松下可能会成为特斯拉迈向年产百万辆电动汽车的最大阻碍（随后事实如其所料，2018年松下的动力电池产能限制了特斯拉Model 3的量产速度）。
于是，马斯克动起了自产动力电池的念头。
2015年，马斯克找上了专注于锂电技术产业化的杰夫·戴恩团队，希望为其提供“数额可观的5年的研究经费”（the substantial 5-year funding package），让其为特斯拉研发寿命更长、成本更低、能量密度更高的锂离子电池。
▲杰夫·戴恩研究小组
杰夫·戴恩团队是加拿大顶级大学达尔豪西大学内一支专注于锂离子电池技术研究的团队，自2008年开始研究锂电池产业化项目。其官方网站显示，该团队目前拥有30人左右的规模，共计发表论文600余篇，在重量级期刊JES与JPS上均有论文发布。
有外媒评价，该团队是目前锂电池领域研究实力最强的团队之一。
杰夫·戴恩本人更是通过精确限定镍钴锰材料中镍的含量，使三元复合正极材料成功实现规模商业化，成为了业界公认的三元材料技术真正的开创者和发明者。
▲杰夫·戴恩
一边是急于自研自产动力电池的特斯拉，一边是希望并且擅长将技术产业化的杰夫·戴恩团队，双方一拍即合。
同年6月16日，杰夫·戴恩团队所在的达尔豪西大学与特斯拉共同宣布，杰夫·戴恩研究小组的合作伙伴将在2016年6月，从3M Canada转移到特斯拉，并与特斯拉达成独家合作协议。
达成合作协议之后，杰夫·戴恩老爷子一屁股坐进了特斯拉的前备箱，比出两个大拇指，兴奋之情溢于言表。
▲杰夫·戴恩
在此之后，杰夫·戴恩团队持续在新型锂离子电极材料、锂离子电池故障机理诊断、电解质添加剂、钠离子与锂离子电池安全性基础研究以及电池研究理论/建模方面持续取得突破。
去年年底，来自杰夫·戴恩团队的论文显示，其新研发的动力电池循环周期可达到5000次左右，对应电动汽车行驶寿命超过100万英里（约为160万公里），这项专利目前已经为特斯拉所有。
而近期外媒electrek又曝出消息，称杰夫·戴恩团队的研究成果将使特斯拉的动力电池成本达到100美元/kWh（约合701元/kWh）。对比投资机构瑞银给出的数据，松下动力电池的成本约为111美元/kWh（约合771元/kWh）、宁德时代约为150美元/kWh（约合1042元/kWh），特斯拉目前的电池成本在业界属于最低水平。
据了解，杰夫·戴恩团队还在帮助特斯拉完成能量密度500Wh/kg的高镍三元锂电池的研发，目前已初具成果。
可以说，2016年以来，杰夫·戴恩团队为特斯拉自产电池项目贡献了众多底层的技术专利与经验积累，完善了特斯拉从电极、电解质到电池壳体环节的大部分技术链条。五年时间，杰夫·戴恩团队也确实完成了签约时对特斯拉许下的诺言——帮助特斯拉提升动力电池循环次数、降低动力电池成本、研发高能量密度动力电池。
这笔投资对于特斯拉而言，物超所值。
二、收购Maxwell?干电极技术提升动力电池能量密度
2016年之后，马斯克转身扎进了特斯拉Model 3的产能地狱，再无闲暇顾及动力电池产业的布局，以至于2017年、2018年2年时间里，特斯拉在动力电池产业并没有大的动作。
但时间来到2019年，一件事情为马斯克敲响了警钟。
2019年2月，特斯拉2018年财报发布的电话会议上，马斯克指出，超级工厂电芯产能的不足是限制特斯拉Mode 3产能的最大桎梏。
2019年4月，马斯克再度发推表示，“超级工厂的电芯产能只有24GWh，从7月份开始一直限制Model 3的产能，在产能到达35GWh之前，特斯拉不会再投钱进去。”
来自松下的产能限制，使得马斯克再度意识到了动力电池的重要性，他开始加速特斯拉在动力电池领域的布局。
2019年5月，特斯拉以亿美元（约合人民币亿元）的价格收购电池技术公司Maxwell，溢价幅度达到55%。
之所以如此迫切地拿下这家公司，是因为特斯拉看中了Maxwell的干电极技术与超级电容技术。
▲Maxwell干电极技术介绍
传统的电极制备工艺属于湿电极工艺，制造过程中，需要将正负极材料加入溶剂中，对电极片材料进行涂覆。
这种制造工艺的优势在于生产工艺验证时间长，电极质量稳定，但溶剂的特性决定了这种电极涂覆的方式生产的电极较薄，能量密度受限。
同时，生产过程中，需要对溶剂进行蒸发，这一部分生产工艺会产生一定程度的环境污染。
而无溶剂的干电极生产工艺则是将活跃的正负极材料混入黏性物质中，使得正负极材料自身“原纤维化”，形成自支撑膜，牢牢地粘着在电极片上（原理类似于脚底牢牢粘上的口香糖）。
这种生产工艺可以制备更厚的电极，使得电池的能量密度得到大幅提升。目前，使用该工艺制成的三元锂电池电芯能量密度大于300Wh/kg，电芯单体能量密度最高可实现500Wh/kg，同时获得更大的放电倍率。
与此同时，干电极的另一大好处，就是可以在电池使用之后，持续为其补充锂金属，弥补电池的容量衰减；而采用湿电极法制备的电极，补充锂金属和混有锂金属的碳不能很好地彼此融合，通常会伴有烟雾、火苗和噪音等强烈反应。
此外，干电极的制作流程不需要进行溶剂干燥步骤，降低了生产成本与时间成本，也降低了环境污染。
另一项超级电容技术，则可以用作能量回收过程中的快速储能装置，其能耗远小于将回收的动能重新储备到电池中。
而在急加速过程中，超级电容器能够实现大功率放电，避免动力电池直接大功率放电产生锂晶枝，对电池结构造成不可逆的损伤。
超级电容技术的另一大优势，就是工作温度范围大，大部分电池的工作温度需要维持在20℃-40℃之间，对外界环境温度要求较为苛刻。而超级电容的工作温度在-40℃-80℃之间，可用于冬天车辆起步与动力电池的加热。
干电极技术为特斯拉自产电池提高了能量密度，而超级电容技术能够在特定场景下为电池提供辅助作用，二者结合或许是特斯拉将来会采用的“混动”方案。
三、收购电池生产设备商Hibar?为自产电池铺路
投资杰夫·戴恩团队，收购Maxwell都是为了掌握最新的电池技术，掌握技术之后的关键就是将其量产。
2019年10月，有媒体发现，加拿大精密设备公司Hibar突然出现在特斯拉旗下，成为了特斯拉的控股子公司。
特斯拉收购Hibar属于秘密进行的项目，其收购日期、金额、合作细节均未透露，但可以明确的是，收购Hibar意味着特斯拉的自产电池项目仅差临门一脚。
Hibar以生产高精度定量注液泵、注液生产系统、自动化电池制造和工艺设备闻名，产品线覆盖了完整的电芯生产流程。
▲Hibar产品一览
在过去的40年时间里，Hibar已经成为了电池行业里一次电池及二次电池生产线的首选供应商。
投资杰夫·戴恩团队让特斯拉拥有了自研动力电池的技术人才，收购Maxwell使得特斯拉掌握了动力电池领域最前沿的技术，而收购Hibar是特斯拉自产动力电池项目的最后一环，至此，特斯拉形成了从技术研发、样品验证到大规模量产的全面布局。
四、自产电池寿命将达100万英里?最大能量密度可达500Wh/kg
虽然特斯拉已经拥有了电池的研发、验证与量产的能力，但实际产品将能够达到什么样的效果呢？
目前其电池生产线还未投入实际使用，想从产品出发进行分析不太现实。我们可以换一个角度，从特斯拉目前拥有的技术实力，来推断其自产电池的技术指标。
1、电极
从电极角度来看，特斯拉自产的电池有很大可能性会采用已收购的Maxwell的干电极技术，该技术目前在三元锂电池领域能够实现的单体电芯能量密度为300Wh/kg，最大能够达到500Wh/kg。
现阶段，业界仅有松下的NCA 811三元锂电池以及宁德时代的NCM 811三元锂电池可在电芯能量密度达到300Wh/kg。
与此同时，上文提到，干电极技术能够实现将锂金属补充到负极内，以弥补充放电过程中，锂离子在负极、电解液中的消耗。
而此前，Maxwell有一项待审专利正是将锂离子补充至电池负极，这项专利技术将能够有效缓解电池在使用过程中的容量衰减问题。而随着特斯拉完成对Maxwell的收购，这项专利技术也自然转移到了特斯拉的名下。
▲Maxwell待审专利
在成本方面，由于省去了干燥步骤，整个电芯生产环节成本大约可下降10%-20%。
2、电解质
在电解质方面，受特斯拉资助的杰夫·戴恩团队近期在知名期刊JES上发表了两篇论文，讲述了他们在电解质方面取得的进展。
其中一篇名为《二恶唑酮与亚硫酸亚硝酸盐作为锂离子电池电解液添加剂》。
论文中提到，杰夫·戴恩团队对近期开发的新型电解质添加剂MDO以及另外两种添加剂PDO和BS进行了高温高电压与长期循环性能的测试，载体为NCM523三元锂电池。
为进行该项测试，团队将三种添加剂分别进行了单独与混合添加，不同的实验组合置于不同的温度、电压下进行测试，得出了不同的循环性能。
实验结果表明，添加了MDO、PDO电解质添加剂的电池均在石墨负极表面形成了SEI层（对负极起到保护作用），而添加了BS电解质添加剂的电池则没有形成SEI层。
通过长时间电池循环性能测试，2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解液添加剂组合在所有实验电解质添加剂的表现中最优，在经过800次放电循环后，电解质中留存的添加剂浓度依然大于90%。
▲实验结果，（b）（c）中最高的两条分布点分别为2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解液组合
在这一研究成果的基础上，杰夫·戴恩团队在去年6月又发布了一篇名为《出色的锂离子电池化学性能的广泛测试结果，可作为新电池技术的基准》的论文。
这项实验同样是对NCM523三元锂电池进行了不同的电解质添加剂测试。
实验结果显示，分别向电解质中添加2%碳酸亚乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸锂、1%二氟磷酸锂这三种电解质添加剂组合，能使电池循环寿命有效增长。
▲实验结果，紫色、绿色与红色线条为测试结果，另外两条为对照组
其中，添加了三种电解质添加剂组合的电池普遍在3000次充放电循环之后，还能保持85%以上的电池容量，有一组甚至在经历了5000次充放电循环之后，仍然保持了90%以上的电池容量。
而另外两组对照组的电池则在1000次左右的充放电循环之后，电池容量分别衰减到了50%左右的水准。
如果以5000次充放电循环次数作为电池的平均循环寿命，以特斯拉Model 3 EPA续航里程322英里作为单轮充放电的续航里程，那么在该电池组的有效生命期内，一辆特斯拉Model 3的行驶里程将会超过160万英里（约合257万公里）。
不过据特斯拉公布的专利显示，目前他们保守估计该电池的使用寿命在100万英里（约合160万公里），一般纯电动汽车所装配的三元锂电池理论使用寿命仅有40万公里-50万公里，特斯拉新电池的使用寿命大约是目前三元锂电池的3-4倍。
值得注意的是，杰夫·戴恩团队为特斯拉进行的研究是以NCM三元锂电池为基础的。因此从电解质添加剂与其适配电极的角度出发，特斯拉未来自产的电池极有可能是NCM三元锂电池而非NCA三元锂电池，该电池的最大循环次数可能逼近5000次，对应车辆的行驶里程可能会达到100万英里（约合160万公里）。
3、超级电容器
除了动力电池本身，收购Maxwell还为特斯拉带来了超级电容技术。
马斯克曾在媒体采访中透露，在大学期间，他就对超级电容技术充满兴趣，一度想进行研究。现在，这个超级电容的粉丝终于能够如愿以偿。
超级电容本质上是不同于动力电池的另一套储能方案，对比动力电池，其不足之处在于储能性能有限。
但其长处也非常明显，超级电容的充放电功率很大，并且能量损耗小，既能够高效率进行动能回收，在车辆急加速时也能够瞬间释放大功率电流，减轻动力电池工作压力。
与此同时，超级电容的工作温度区间为-40℃-80℃，能够适应一般电池难以适应的极端环境。
可以说，超级电容具备与动力电池互补的潜质。在车辆正常行驶时，动力电池提供主要电力，当车辆需要急加速、进行动能回收、在寒冷地带起步时，超级电容为车辆提供电力。
当自产电池项目落地后，特斯拉有可能会为车辆同步配备超级电容器，形成全新的动力电池+超级电容“混动系统”。
综合上述三方面来看，特斯拉自产的动力电池极有可能是NCM三元锂电池，第一代电芯产品的能量密度可能会在300Wh/kg左右，后续会逐步攀升至500Wh/kg。
其电解质添加剂可能会选用2%碳酸亚乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸锂、1%二氟磷酸锂这三种电解质添加剂组合中的一种，得益于优异的电解质性能，其电池的循环寿命将能够达到100万英里（约合160万公里），超过目前所有的动力电池循环性能。
不仅如此，超级电容技术也可能会被特斯拉投入应用，作为动力电池的辅助能源。
五、从供应商变迁史?看特斯拉自产电池的六大意义
特斯拉首条动力电池生产线的搭建，意味着这家车企在动力电池的供应链上走出了新的一步。
自特斯拉推出首款车型Roadster以来，这条战船就与全球锂电巨头松下牢牢地捆绑在一起。据了解，特斯拉首批100辆Roadster全部采用了松下的18650圆柱形电池。
后续推出的第一款面向大众的量产车型Model S，更是让特斯拉与松下开启了长达7年的独家供应关系。
在此期间，双方在美国佛罗里达州的沙漠中，建起了一座产能达到35GWh的动力电池工厂，也是如今世界上产能最大的动力电池工厂。
▲特斯拉Gigafactory 1
在马斯克的设想中，这座工厂最终将能够实现50GWh的年产能，撑起特斯拉年产百万辆电动车的远大愿景。
但事与愿违，一边是产能疯狂爬坡，电池需求迅速上涨的特斯拉；另一边是即使出现亏损，也仍在扩大生产线，招收更多员工的松下。
双方没有达成供需同步攀升的微妙平衡，特斯拉的电池需求缺口越来越大，最终在2018年财报发布的电话会议上，双方矛盾爆发。
马斯克指责松下的动力电池产能迟迟跟不上，限制了特斯拉Model 3的产能爬坡，如果松下不能按照约定将合资工厂的电池产能提升至35GWh，特斯拉就将停止对合资工厂的投资。
2019年第三季度，双方的合资工厂动力电池产能虽然达到了35GWh，但松下也冻结了进一步提升合资工厂产能至50GWh的计划。
自2013年展开合作以来，特斯拉与松下之间的关系第一次接近“冰点”。
此次事件之后，虽然特斯拉与松下仍然维持着动力电池的供应关系，但特斯拉也开始寻找新的动力电池供应商。借着特斯拉上海工厂投产这一机会，LG与宁德时代被特斯拉纳入其供应商名单。
2020年1月30日，特斯拉正式宣布与LG化学、宁德时代达成动力电池供货协议。
此外，路透社还报道，特斯拉正在与宁德时代就“无钴”电池进行进一步商谈，特斯拉未来很可能会使用宁德时代生产的“无钴”电池。
▲路透社报道，特斯拉正在与宁德时代商议无钴电池合作
到目前为止，特斯拉的动力电池供应链条已经从松下独家供应，转变为LG化学、宁德时代、松下三家同步供应。在特斯拉自产的动力电池完成供应后，这条供应链也将被纳入特斯拉的动力电池名单。
特斯拉已经正式从松下独家供应动力电池的“单极时代”，走向多供应商供应动力电池的“多元时代”。最终可能形成以自产电池为主，采购电池为辅的动力电池供应链条。
对于特斯拉而言，这一时代的到来有着三大意义：
1、动力电池降本增效，坐拥多家动力电池供应商的特斯拉，对供应商将拥有更强的话语权，势必会在动力电池采购价格上加大压价力度。
同时，自产的动力电池生产线投产后，特斯拉的动力电池成本将会低至100美元（约合人民币701元），比松下的动力电池成本还要低10%，特斯拉的成本优势更加明显，旗下车型或将进一步降价，更大规模的扩张销量。如果使用干电极技术进行动力电池生产，特斯拉动力电池的生产效率也会有小幅提升。
2、助推产能增长，到目前为止，特斯拉共拥有两座整车生产工厂，一座位于美国加州弗里蒙特，目前处于满负荷运转；另一座位于上海临港，目前产能15万辆/年，目标产能为50万辆/年，还有较大幅度的产能爬坡空间；还有一座规划中的工厂位于德国柏林，目前正在建设当中。
就目前情况来看，特斯拉与松下的合资电池厂供给美国本土工厂已然供不应求，中国工厂与未来的德国工厂势必需要新的动力电池供应商来提供动力电池。供应商足量的动力电池供应才能够推动特斯拉产能增长，最终在2022年实现年产100万辆特斯拉的目标。
3、满足百万辆Robotaxi的需求，马斯克曾经夸下海口，表示2020年将会有100万辆特斯拉汽车上路成为Robotaxi，暂且不论自动驾驶技术是否可行，以目前的电池技术来看，这一目标很难实现。
目前动力电池的循环次数大多在1000次左右，对应使用寿命大约为20万英里（约合32万公里），这一续航寿命对于普通家用完全足够，但对于需要24小时不间断运行的Robotaxi而言，却显得捉襟见肘。
特斯拉自产动力电池，正是为了解决这一难题，上文我们已经提到，特斯拉最新的专利显示，他们完成了100万英里（约合160万公里）续航寿命的电池研发，拥有超长续航寿命的动力电池将能够满足特斯拉Robotaxi运行的要求。
对于整个动力电池行业而言，特斯拉自产动力电池也有着深远的意义：
1、特斯拉作为电动汽车领军企业，进军动力电池产业这一行为，将会带来模仿效应，未来更多大型车企在转型电动化的过程中，可能会考虑自产动力电池以满足自身需求。对于车企而言，电动时代的核心——三电技术，必须要握在手心。
2、车企进军动力电池，意味着动力电池供应商们原本的客户流失，动力电池供应商的利润空间受到压缩。在与车企的博弈中，动力电池供应商将想方设法降低动力电池成本，提高动力电池性能。
3、新能源供应链结构可能发生改变，在车企自产动力电池的过程中，原本隔着动力电池供应商的材料供应商们，将能够直接与车企产生联系。产业链条减少，意味着产业结构进一步优化。
结语：掌握电池后的特斯拉将更加强大
特斯拉弗里蒙特工厂的第一条动力电池生产线正在搭建，投产指日可待，马斯克酝酿了5年的自产动力电池计划终于进入了产出结果的阶段。
掌握动力电池后的特斯拉，从各个角度来看，都将变得更加强大。
在供应链端，追求降本的特斯拉，一旦实现了自产动力电池的目标，对其他供应商的动力电池采购需求势必会相应减少。特斯拉的动力电池供应商们将会展开价格战，而在这场价格战中，特斯拉将享有绝对的主导权。
在电动汽车产品端，特斯拉自产的动力电池很有可能比目前市面上的大多数动力电池性能优异，将会拥有更长的使用寿命，更少的容量衰减，从而大幅提升特斯拉车型的保值率。
不过对于特斯拉而言，实现量产仅仅只是自产动力电池这一伟大愿景的第一步，后续动力电池的产能建设，对其而言才是真正的挑战。
在中国，动力电池产能的建设成本约为4-6亿元1GWh，而在美国，这一成本只会更高。特斯拉如果想要真正建成成规模的动力电池生产线，后续至少需要在动力电池项目上投资数百亿元。对于特斯拉这样刚刚盈利，现金流无比宝贵的公司而言，这笔投资将会造成庞大的压力。自产动力电池，对于特斯拉而言，仍然任重而道远。
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
成果简介
高容量硅 (Si) 被公认为高性能锂离子电池 (LIB) 的潜在负极材料。但是，放电/充电过程中的大体积膨胀阻碍了其面积容量。 本文，上海交通大学微纳米科学技术研究院张亚非教授课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊 发表名为“Binder-Free, Flexible, and Self-Standing Non-Woven Fabric Anodes Based on Graphene/Si Hybrid Fibers for High-Performance Li-Ion Batteries”的论文， 研究设计了一个柔性石墨烯纤维织物（GFF）为基础的三维导电网络，形成无粘合剂且自支撑的高性能锂离子电池的硅负极。
Si 颗粒被牢固地包裹在石墨烯纤维。起皱引起的大量空隙石墨烯在纤维中能够有效地适应锂化/脱锂过程中硅的体积变化。GFF/ 电极在 100 次循环后在 mA cm –2的电流密度下表现出优异的循环性能，比容量为 920 mA hg –1。此外，GFF/ 电极在 400 次循环后在 mA cm –2的电流密度下表现出 580 mA hg –1的优异可逆容量。GFF/ 电极的容量保持率高达 。更重要的是，质量负载为 mg cm –2的 GFF/ 电极实现了 mA h cm –2的高面积容量，其性能优于报道的自支撑 Si 阳极。这项工作为实现用于高能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极提供了机会。
图文导读
图 1. (a) 自立式 GFF/Si - X电极制造过程示意图。（b）醋酸溶剂中的 GOF/Si、（c）GOFF/Si 和（d）GFF/Si- X 的数码照片，揭示了其柔韧性。(e) GFF/ 电极冲压成面积为 cm 2 的小圆盘。
图 2. (a) GFF/ 低倍率的 SEM 图像和 (b) 部分放大的 SEM 图像，揭示了两个独立的纤维在两者相遇的点合并为一个。(c,d) GFF/ 表面和横截面的 SEM 图像。
图 3. GFF/Si- X电极在 mA cm –2电流密度下的电化学特性；所有比容量均以自立式电极的总质量为基础计算。(a) 第一次循环充电/放电电压曲线。(b) ICE 的比较分析。(c) 循环性能比较。(d) GFF/ 电极在 mV s –1扫描速率下的CV 测量值。(e) GFF/ 的倍率性能。(f) 具有不同阳极重量的 GFF/ 电极的面积容量
图 4. GFF/Si-HI、GFF/ 和 GFF/Si-800 C 电极的循环性能比较
图 5. GFF/Si-HI、GFF/ 和 GFF/Si-800 C 的成分分析：(a) XRD 图，(b) 拉曼光谱，(c) GFF/Si-的 TGA 曲线N 2气氛中的HI ，和 (d) FT-IR 光谱。
图 6. (a,b) GFF/ 电极在循环前后的拉曼光谱和 XRD 图案。GFF/ 电极在 100 次放电/充电循环后的形态研究：(c,d) 锂化/脱锂后低倍和高倍率的 SEM 图像；插图是循环后 GFF/ 电极的数码照片；(e,f) TEM 和 HRTEM 图像；插图是低倍放大的 SAED 图像；(g) 元素映射。
小结
在这项研究中，基于 GFF 的 3D 导电网络被设计用于无粘合剂和自立式 Si 阳极。GFF 结构在放电/充电循环期间成功地抑制了 Si 的体积膨胀。提出了一种新策略，用于制造用于高性能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极。
文献：
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锂电池行业主要上市公司：宁德时代(300750);比亚迪(002594);国轩高科(002074);亿纬锂能(300014)等。
本文核心数据：全球锂电池细分市场结构、全球锂电池区域分布、全球锂电池企业市场份额、全球锂电池市场规模
全球锂电池细分市场：动力与储能锂电池的市场份额有望提升
锂电池的细分市场主要为动力锂电池、储能锂电池和消费锂电池，其中，动力电池的下游应用领域主要为新能源汽车，储能电池的下游应用领域主要为电力系统，消费电池的下游应用领域主要为手机等消费电子。
从全球锂电池产量来看，动力锂电池占据了主要的产量份额，达到了，其次是消费锂电池，锂电池产量市场份额为，储能电池的市场份额最小，为7%。随着全球各国“碳达峰”战略的提出，全球各企业纷纷部署动力电池与储能电池产线，新能源汽车与储能市场的蓬勃发展有望推动动力锂电池和储能锂电池的市场份额进一步提升。
全球锂电池区域分布：中国占比达77%，欧洲扩张加速
根据S&P Global Market Intelligence 公布的数据显示，从产能来看，2020 年，中国在主导了全球锂离子制造市场，中国锂离子电池产能占世界产能的约 77%，其次是美国，占比约为9%。
虽然，S&P Global Market Intelligence预计，中国将在 2025 年继续成为锂离子电池制造的领先国家，但随着欧洲对制造设施的计划投资，其产能将大幅扩大，2025年，欧洲有望在成为世界第二大锂离子电池生产国，约占全球产能的25%。
全球锂电池企业竞争格局：LG化学、松下、宁德时代占据70%的市场份额
从企业产量来看，2020年1月至8月， LG化学成为全球领先的锂离子电池制造商，市场份额为;其次是宁德时代，以左右的市场份额位居第二，松下以左右的市场份额紧随其后。
在排名前五的全球锂离子电池制造商中，中国企业达到两家，分别是宁德时代和比亚迪，市场排名为第二和第四，合计市场份额达到32%。
全球锂电池供给情况：电池工厂数量快速增长
2020年，全球处于不同规划建设阶段的锂离子工厂共有181家。在新冠疫情大流行的背景下，2020年全球锂离子工厂的扩建与上一年相比依然增加了50%以上。其中，2020年在建和规划的181家工厂中，有136家位于中国，其中大部分是世界上最大的锂离子工厂。
全球锂电池需求情况：2025年市场规模将翻番
根据Research and Markets调研数据显示，2020年全球锂离子电池市场价值约为405亿美元，预计2026年市场将以的GACR增长，达到近920亿美元的规模，超过2020年市场规模的一倍。
以上数据参考前瞻产业研究院《中国锂电池行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》
锂电池材料构成四大主材：正极材料、负极材料、隔膜、电解液辅材：NMP、铜箔、铝箔、铝壳盖板、导电剂、粘结剂、其他（EMD）等。锂电池的性能与制造工艺息息相关，3C锂电池的制作工艺分为四道程序，一是极片制作，二是电芯组装，三是电芯激活检测，四是电池封装。电极制片又包括正极片和负极片制作，主要环节包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切和极耳等步骤。极片制作是3C锂电池制作工艺的基础，电芯组装则关系着3C锂电池的性能，是核心工序。而电芯激活包含着电池的化成、分容和测试，是3C锂电池制作完成后关键性工序，电池封装工艺是3C锂电池制作的最后一步，关系着电池的成品质量。3C锂电池的化成、分容完成后，还需要对其进行性能测试，测试中可用弹片微针模组作为电流传输的媒介，能起到稳定连接的作用。3C锂电池的性能测试包括基本性能、安全性能、环境性能、电化学性能几大类，弹片微针模组在测试中可通过1-50A范围内的电流，过流能力强大，还有着平均20W次的使用寿命，可有效提高3C锂电池测试效率，保障测试高效安全进行。
稿源：cnBeta 美国能源部旗下 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员们，刚刚介绍了一种能够极大地恢复可充电锂电池效能的方法。对于电动 汽车 和下一代电子设备来说，这意味着相关产品的电池寿命可进一步延长。据悉，在经历了多次充放电循环之后，锂电池会在电极间形成不那么活跃的锂孤岛，从而降低电池的储能效果。 （图自：Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory） 好消息是，研究人员们发现，他们能够让“濒死”的锂岛向蠕虫一样前往其中一个电极、直至实现重新连接，从而部分逆转了不良衰减的过程。 由 2021 年 12 月 22 日发表于《自然》杂志上的这项研究可知 —— 通过引入这个额外的步骤，该团队得以将锂电池寿命延长近 30% 。 论文一作、斯坦福大学博士后研究员 Fang Liu 表示：“我们现正 探索 使用极快的放电步骤，来回复锂离子电池容量损失的可能性”。 如上图所示，但过一个失活的锂金属岛移动到电池的阳极（或负极）并实现重新连接时，它就能够恢复生机、用于电荷储存和为电子流动提供支撑。 下方动画展示了实验装置的原理，解释了“濒死”的锂岛是如何在电池充放电循环过程中，在阴阳（红蓝）两极之间来回蠕动的。 考虑到当前锂电池已被广泛运用于手机、笔记本电脑和电动 汽车 ，大量研究团队都在寻找重量更轻、寿命更长、安全性更高、充电速度更快的可充电电池方案。 其中一个发展方向是锂金属电池，在相同的单位体积重量下，它能够储存更大的容量、充电效率也更高。若得到普及，下一代电动 汽车 的重量和空间占用都可更少、或在同等电池体积下实现更长的续航里程。 不过无论固态或锂离子电池，它们都要用到带正电的锂离子在两极之间来回穿梭。随着时间的推移，一些金属锂会出现电化学惰性、形成不再与电极连接的锂孤岛，从而造成容量的损失。 有关这项研究的详情，还请移步至 2021 年 12 月 22 日正式出版的《自然》（Nature）期刊查看。 原标题为《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》。
锂离子电池的组成简介 锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。 锂离子电池电池组成部分 （1）电池上下盖 （2）正极——活性物质一般为氧化锂钴 （3）隔膜——一种特殊的复合膜 （4）负极——活性物质为碳 （5）有机电解液 （6）电池壳（分为钢壳和铝壳两种） 锂离子电池优缺点 锂离子电池具有以下优点： 1） 电压高，单体电池的工作电压高达，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍 2） 比能量大，目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400 Wh/L 3） 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电流放电的电器,电池的使用期限 将倍增电器的竞争力. 4） 安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。 5） 自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6) 可快速充放电，1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。 7) 工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。 锂离子电池也存在着一定的缺点，如： 1） 电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。 2） 不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在以下，只适合于中小电流的电器使用。 3） 需要保护线路控制。 A、 过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在的恒压下充电； B、 过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 摘要：综述了锂离子电池的发展趋势，简述了锂离子电池的充放电机理理论研究状况，总结归纳了作为核心技术的锂电池正负电极材料的现有的制备理论和近来发展动态，评述了正极材料和负极材料的各种制备方法和发展前景，重点介绍了目前该领域的问题和改进发展情况。 材料 电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池的机理一般性分析认为,锂离子电池作为一种化学电源，指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。锂离子电池是物理学、材料科学和化学等学科研究的结晶。锂离子电池所涉及的物理机理,目前是以固体物理中嵌入物理来解释的,嵌入（intercalation）是指可移动的客体粒子（分子、原子、离子）可逆地嵌入到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。电子输运锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物。电子只能在正极和负极材料中运动[4][5][6]。已知的嵌入化合物种类繁多，客体粒子可以是分子、原子或离子．在嵌入离子的同时，要求由主体结构作电荷补偿，以维持电中性。电荷补偿可以由主体材料能带结构的改变来实现，电导率在嵌入前后会有变化。锂离子电池电极材料可稳定存在于空气中与其这一特性息息相关。嵌入化合物只有满足结构改变可逆并能以结构弥补电荷变化才能作为锂离子电池电极材料。 控制锂离子电池性能的关键材料——电池中正负极活性材料是这一技术的关键，这是国内外研究人员的共识。 1 正极材料的性能和一般制备方法 正极中表征离子输运性质的重要参数是化学扩散系数,通常情况下，正极活性物质中锂离子的扩散系数都比较低。锂嵌入到正极材料或从正级材料中脱嵌，伴随着晶相变化。因此，锂离子电池的电极膜都要求很薄，一般为几十微米的数量级。正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的临时储存容器。为了获得较高的单体电池电压，倾向于选择高电势的嵌锂化合物。正极材料应满足： 1）在所要求的充放电电位范围内，具有与电解质溶液的电化学相容性； 2）温和的电极过程动力学； 3）高度可逆性； 4）全锂化状态下在空气中的稳定性。 研究的热点主要集中在层状LiMO2和尖晶石型LiM2O4结构的化合物及复合两种M（M为Co，Ni，Mn，V等过渡金属离子）的类似电极材料上。作为锂离子电池的正极材料，Li＋离子的脱嵌与嵌入过程中结构变化的程度和可逆性决定了电池的稳定重复充放电性。正极材料制备中，其原料性能和合成工艺条件都会对最终结构产生影响。多种有前途的正极材料，都存在使用循环过程中电容量衰减的情况，这是研究中的首要问题。已商品化的正极材料有Li1－xCoO2（0 嘿嘿，来看看顶起... 已经发了，请注意查收！！！ 太阳能电池原理及发展 摘 要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力, 己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来, 光伏市场快速发展并取得可喜的成就。本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。 关键字：太阳能电池；原理；发展；前景 1.引言 由于人类对可再生能源的不断需求, 促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min 内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1 年, 合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略, 是其中最受瞩目的研究热点之一。本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。 2.太阳能电池原理【1】 太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。 当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取 到超过禁带宽度Eg 的能量，脱离 共价健的束缚从价带激发到导带， 由此在半导体材料内部产生出很多 处于非平衡状态的电子空穴对。这 些被光激发的电子和空穴，或自由 碰撞，或在半导体中复合恢复到平 衡状态。其中复合过程对外不呈现 导电作用，属于太阳能电池能量自 动损耗部分。光激发载流子中的少 数载流子能运动到P—N 结区，通 过P—N 结对少数载流子的牵引作 用而漂移到对方区域，对外形成与 P—N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。 制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大， 而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量 也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体。 太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会集热，将光能转换为直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、 天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。 什么是太阳能光伏技术 太阳是能量的天然来源。地球上每一个活着的生物之所以具有发挥作用的能力，甚至于是它的生存，都是由于直接或间接来自于太阳的能量。 我们的地球处在离太阳差不多有一亿英里的地方。它所截取的辐射能已经少到令人难以置信 的程度，即大约千万分之三，即使这么小的一点能量， 实际上比整个世界目前现有的发电能力还大十万倍！目前全世界尤其是工业发达国家开始感到能量短缺，因此，人们开始求助于 太阳能，以解决能源危机。 太阳能光伏 太阳能每天都能无限供应，而且数量庞大。如果在大的电厂利用，就减少了温室效应，有些能源专家和环境保护的专家则认为，在满足人类今后能量需要方面，太阳能的热影响比不在。有专家认为太阳能发电最终将在电力供应中占20%。 太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着---借助其它任何机械部件，光线中的能量被半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这种半导体组成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金。用于制造太阳能电池的高纯硅，要经过特殊的提纯处理制作。太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，就能够把光能转变为电 10~20% 的电来。一般 能转变为电能，一般在它的上面都蒙上一层可防止光反射的膜， 使太阳能板的表面呈紫色。它的工作原理的基础是半导体PN 照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压（叫做光生电压）。这种现象就是著名的光生伏打效应。使PN结短路，就会产生电流。 阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间，无噪音、寿命长，而且一旦设置完毕就几乎不要需要调整。现在只要将屋顶上排满太阳能电池，就可以实现家中用电的自给。现今太阳 出轻便的可穿在身上的太阳能电池。目前，太阳能的利用存在着巨大的发展空间， 有关的技术有可能在短时间内实现突破。它已被许多发达国家作为其能源战略的一个重要组成部分。 晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成 P－N结。 当光线照射太阳电池 太阳能光伏发电系统示例 表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下， 能的过程。 自从1954太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。 1973年的石油危机和90 年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程简列如下： 1839年 ，即“光伏效应”。 1876年 1883年 制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。 1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首 并网型光伏发电系统设备防雷示意图 次提 出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。 1931年 布鲁诺 将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。 1932年 奥杜博特和斯托拉制成第一块“ 硫化镉”太阳电池。 1941年 1954 年 恰6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 1955年 同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。 1957年 硅太阳电池效率达8%。 单晶硅太阳能电池 1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 1959年 第一个效率达5%。 1960年 硅太阳电池首次实现并网运行。 1962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。 1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。 1972年 16%。 1972年 美国宇航公司背场电池问世。 1973年 砷化镓太阳电池效率达15%。 1974年 COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%。 1975年 效率达6%~%。 1976 年 多晶硅太阳电池效率达10%。 1978年 美国建成100kWp太阳地面光伏电站。 1980年 20%，砷化镓电池达，多晶硅电池达，硫化镉电池达。 1983年 美国建成1MWp 光伏电站；冶金硅（外延） 电池效率达。 1986年 美国建成光伏电站。 1990年 “2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWp光伏电池。 1995年 高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。 1997年 美国提出“划”，在 2010年以前为100万户，每户安装3~5kWp供电，电表反转；无太阳时电网向家庭供电，电表正转。家庭只需交“净电费”。 1997年 新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。 1997年到2010年生产37亿Wp光伏电池。 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府光电转换效率 η% 评估太阳电池好坏的重要因素。 目前：实验室 η ≈ 24%，产业化：η ≈ 15%。 单体电池电压 V：——由材料物理特性决定。 填充因子FF% 评估太阳电池负载能力的重要因素。 FF=(Im×Vm)/(Isc×Voc) 其中：Isc—短路电流，Voc—开路电压，Im—最佳工作电流，Vm—最佳工作电压； 标准光强 光强，1000W/m2 ，t = 25℃； 温度对电池性质的影响 例如：在标准状况下,光强，t=25℃某电池板输出功率测得为100Wp,如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp 5.结语 太阳能光发电是太阳能利用的最佳途径。目前正在进行着从第一代基于硅晶片技术的太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池的过渡。 第一代太阳能电池转换效率为11%~15%，但成本太高。第二代太阳能电池成本大大降低，但转换效率只有6%~8%。 为进一步提高效率，同样基于薄膜技术的第三代太阳能电池已经开始研制， 其转换效率将是第一代和第二代太阳能电池的数倍， 它的问世将使人类在太阳能利用的历史上翻开新的一页。 参考文献： [1] 赵书利,叶烽,朱刚. 太阳能电池技术应用与发展[J]. 船电技术, 2010,(04) . 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