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從諾貝爾化學獎看鋰電子電池應用趨勢新變化

章鷹 ? 來源:電子發燒友原創 ? 作者:章鷹 ? 2019-10-11 09:41 ? 次閱讀

本文原創,作者:章鷹,電子發燒友執行副主編。

10月9日中午,瑞典皇家科學院將2019年諾貝爾化學獎授予德克薩斯大學奧斯汀分校的約翰·B·古德諾(John B. Goodenough),賓漢姆頓大學的斯坦利·惠廷漢姆(M. Stanley Whittingham)和日本名城大學的吉野彰(Akira Yoshino),以表彰其在鋰電池發展上所做的貢獻。

報道稱,77歲的美國化學家斯坦利·惠廷漢姆、97歲的約翰B·古德諾以及71歲的日本化學家吉野彰,因為在“鋰離子電池”領域的突出貢獻,被授予2019年諾貝爾化學獎。

鋰離子電池是近幾十年來技術革命的基石。持久的可充電電池使手機,筆記本電腦和其他設備得以存在。它們可以按比例放大以驅動汽車或房屋。它們甚至被用于可再生能源。它們還能夠小型化并用于植入式起搏器之類的設備中。

從手機到電動汽車,幾乎所有的東西都可以找到可充電的鋰離子電池,它們可以存儲來自太陽能和風能的大量能量。這些今天看來是最流行的鋰離子電池應用,在基礎研究當中是怎樣發生和演進的?在全球市場中,在主要的三大應用領域近期正在發生哪些變化?

鋰離子電池基礎研究的起因和關鍵點

鋰離子電池是化學如何改變人們生活的一個很好的例子,鋰離子電池由從一種材料到另一種材料的鋰離子流供電。使用電池時,帶正電的鋰離子會從陽極傳遞到陰極,并按形成電流的方式釋放電子流。電池充電時,鋰離子向相反方向流動,使電池復位以重新進行充電。

電池的起源始于1970年的石油危機。隨之而來的價格上漲和全美的汽油短缺刺激了人們對替代能源和節能的研究。這也刺激了斯坦利·惠廷漢姆研究超導體。一路上,他發現了一種富含能量的材料,稱為二硫化鈦,該材料在分子水平上有空間容納鋰離子。他創造了一種電池,其中陽極的一部分由金屬鋰制成。這個想法行得通,但惠廷漢姆的電池版本非常不穩定,長時間使用后容易爆炸。

圖:鋰離子電池原理示意圖。

盡管如此,與當時的酸基電池相比還是有很大的進步。惠廷漢姆對《紐約時報》記者表示:“這項技術的最大優勢在于,鋰離子存儲的能量大約是鉛酸的10倍,或者是鎳鎘的5倍。” 他們也輕得多。因此,行業應用有很大的動力轉向鋰離子電池。”

1980年,約翰·B·古德諾完善了這一概念,系統地尋找二硫化鈦的替代品。他發現氧化鈷可以起到同樣的作用,并產生高達4伏的電壓,是先前電池的兩倍以上。1985年,吉野公司用層積有鋰離子的石油焦炭代替了電池中的金屬鋰,從而制成了更安全的電池。1991年,這一概念足以商業化,因此索尼發布了首款可充電鋰離子電池。

索尼將鈷酸鋰和石墨結合,開發出了全新的可充電鋰電池。整個電池中沒有純鋰,因此安全性得到了很大提升。高性能,低成本,安全性好,這種鋰離子電池一經問世立刻受到了歡迎,幫助索尼一躍成為行業老大。

97歲的古德諾對媒體的感言中,這樣寫道:“我不知道電氣工程師會如何使用電池。我真的沒想到手機,便攜式攝像機、汽車動力電池和其他所有東西。”

應用領域的三大發展趨勢

從下游應用市場看,鋰電池主要分為動力電池、儲能電池和3C電池三個領域。鋰電池代表企業主要有寧德時代、比亞迪、國軒高科、德賽電池等。

據高工產研鋰電研究所(GGII)調研報告顯示,去年中國3C鋰電池產量同比下降2.15%,達31.8GWh。未來兩年,3C鋰電池的年復合增長率為7.87%,預計到2021年,中國3C電池產量將達37GWh。而高端數碼軟包電池、柔性電池、高倍率電池等將受高端智能手機、可穿戴設備、無人機等領域帶動,成為數碼電池市場的主要增長點。

在智能手機領域,鋰電子電池正在發揮巨大優勢。新浪微博上某大V表示,日本科學家吉野彰拿著自己的手機,其充電界面顯示為華為智能手機,這款手機采用的就是鋰離子電池。

據前瞻研究院的數據顯示,2018年我國手機電池的市場供給大于需求3.06億只左右。未來,手機電池將朝體積小、容量大、重量輕、能量密度高的方向發展。鋰離子電池目前有液態鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類,其中聚合物鋰離子電池主要應用于手機電池。

技術趨勢上,快充電池已經成為手機鋰電池的重要發展方向。比如OPPO推出的65W超級閃充,讓Reno Ace一躍成為市面上充電速度最夸張的智能手機。號稱充電不到30分鐘就能將4000毫安時電池完全充滿。

智能手機的普及增加手機的耗電量,加快了對快充技術的要求。目前行業普遍利用高壓充電增大充電傳輸功率來減少充電時間,因此保證能量密度的情況下,提高鋰電池對于快速充電的容受能力是技術發展的關鍵。

5G手機耗電量數倍于4G手機,多電芯電池也成為一種趨勢。解決手機耗電量逐漸增大的另一解決方案,超長待機時間使得雙電芯方案可能成為電池發展的下一個領域。據悉,5G手機比4G手機耗電明顯增多,5G芯片耗電量是4G芯片耗電量的2.5倍,這就需要手機需要更大的電池容量和更好的散熱性能,多電芯電池的使用使得Pack廠大幅受益。

由于受上下游原材料供給和下游手機廠商分布影響,中國手機電池主要產能分布在廣東、江蘇、福建、山東、浙江五省。手機電池在廣東發展最好,廣東省手機電池產量占比手機電池產量優勢省份達到了83%。以德賽電池為例,這是國內最早從事鋰電池封裝集成和電源管理的生產制造企業。公司客戶包括蘋果、華為、三星、小米等。其中公司在蘋果iPhone系列電源管理方面的份額超過一半。

動力電池高速發展,新能源車帶動效應明顯。受新能源汽車產業發展帶動,2017年-2018年,中國動力電池保持高速增長。據GGII調研統計,去年,中國動力電池市場產量同比增長46.07%,達65GWh,是鋰電池產業中占比最大的細分領域。

高安全+高比能量,高能量密度三元鋰電池成為廠商研發重點。寧德時代是中國最大動力電池廠,今年上半年,其動力電池裝機量達13.8GWh,國內市占率高達46%。根據《汽車產業中長期發展規劃》,到2020年,動力電池單體能量密度達到300Wh/kg以上,力爭實現350Wh/kg,系統能量密度力爭達到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下。但行業現狀是,依靠三元鋰電池實現2020年系統能量密度達到260Wh/kg的目標,目前僅寧德時代的NCM811有可能勝任。

按照純電動乘用車市場,消費者需要高比能量電池滿足對續航里程的需求,未來高能量密度NCM811電池的需求量仍會增加。高比能量是發展趨勢,但安全問題要特別關注。

據外媒報道,特斯拉正在美國弗里蒙特工廠附近的“秘密實驗室”研發自己的鋰離子電池,并開始探索大規模生產相關電池產品的技術儲備。在此之前,特斯拉的動力電池供應一直依賴于日本的合作伙伴松下

儲能電池市場方興未艾。目前在儲能電池市場,主要有三大應用領域:電力儲能、家用儲能以及基站儲能,家庭儲能借著特斯拉掀起的“能源家庭”浪潮,有較大的進一步發展擴容的空間,但目前主要集中在美國、德國、澳洲和日本等海外地區,國內仍處于發展初期。

在全球市場上,日前,特斯拉承諾將在澳洲建設全球最大電池儲能系統,馬斯克也剛剛在財報電話會議上宣布特斯拉太陽能屋頂正式進駐第一批用戶屋頂,宜家則開始在英國出售家用太陽能電池板和儲能電池,這也更進一步標志了“儲能”環節在新能源產業中的重要地位。中國儲能類鋰離子電池領域雖然市場空間巨大,但目前受成本、技術等因素限制,仍處于市場導入期。

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Strategy Analytics預計,2019年5G設備的銷量僅占總銷量的不到1%,而到2020....
的頭像 章鷹 發表于 10-08 10:45 ? 2504次 閱讀
Strategy Analytics:2020年5G手機銷售飆升,2025年預估銷量將超10億

三大運營商和華為利用5G技術為國慶閱兵活動帶來了現場直播

在本次慶典中,中國移動攜手央視新聞、人民網、新華網三大央媒,打造史上首次4K超高清多視角直播,為用戶....
發表于 10-08 10:40 ? 274次 閱讀
三大運營商和華為利用5G技術為國慶閱兵活動帶來了現場直播

北京電信攜手華為完成了國慶慶典閱兵5G+4K超高清視頻直播

本次慶典保障區域沿長安街從建國門到西單路口,總共5.2KM。為保障現場5G 網絡穩定、視頻直播流暢,....
發表于 10-08 10:36 ? 376次 閱讀
北京電信攜手華為完成了國慶慶典閱兵5G+4K超高清視頻直播

【STM32G431試用體驗】華為LiteOS移植

      隨著物聯網的發展,現在市面上開源的物聯網操作系統很多,像ST官方提供的Cube開發包中就包含了移植...
發表于 09-28 17:18 ? 850次 閱讀
【STM32G431試用體驗】華為LiteOS移植

DC2039A,演示電路采用帶有數字遙測系統的LTC4015EUHF多化學降壓電池充電器

DC2039A,演示電路采用帶有數字遙測系統的LTC4015EUHF多化學降壓電池充電器,作為2節鋰離子電池,8A電池...
發表于 09-26 08:00 ? 193次 閱讀
DC2039A,演示電路采用帶有數字遙測系統的LTC4015EUHF多化學降壓電池充電器

【微信精選】iPhone 11 Pro:三攝鏡頭A13芯片;華為鯤鵬生態征戰芯片市場;科大訊飛發布智能筆售價...

硬件方面,iPhone 11 Pro系列搭載A13處理器,性能更強,芯片設計更加優秀;機器學習擁有更快的加速器,做矩陣乘法運算...
發表于 09-14 07:30 ? 377次 閱讀
【微信精選】iPhone 11 Pro:三攝鏡頭A13芯片;華為鯤鵬生態征戰芯片市場;科大訊飛發布智能筆售價...

從選擇通信專業到華為工程師,談談在通信行業的那些年

鑒于最近人們對華為及5G的關注,而我本身也是通信專業畢業的,今年又是高考后填報志愿,也就有不少人來咨詢我通信專業的事情。為...
發表于 09-12 13:59 ? 384次 閱讀
從選擇通信專業到華為工程師,談談在通信行業的那些年

碩士畢業來到華為,從“醬油party”逆襲“雞湯王”

不是打醬油,就是在打醬油的路上 2015年7月,碩士畢業的我,帶著學生時代的自信,手握Special offer,順利加入了夢想中的華為。...
發表于 09-12 11:08 ? 330次 閱讀
碩士畢業來到華為,從“醬油party”逆襲“雞湯王”

華為最新40W超級充電器是什么樣的?

又一臺華為超級充電器來到我面前,與之相伴的是一臺沒有合上后蓋的樣機: ...
發表于 09-12 09:05 ? 370次 閱讀
華為最新40W超級充電器是什么樣的?
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