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表述锂离子电池储能大小的参数是能量密度,在数值上大约相当于电压与锂电池容量的乘积,为了有效提高锂电池的储电量,人们一般会用增加电池容量的方法达到目的。但是,限于所用原材料的性质,容量提升总是有限度的,于是提高电压值成为提升锂电池储电能力的另一条途径。大家知道,锂电池标称电压是3.6V或3.7V,高电压是4.2V。那么,锂电池的电压什为什么不能获得更大的突破呢?说到底,这也是由锂电池的材料及结构性质决定的。
锂电池的电压是由电极电势决定的。电压也称作电势差或电位差,是衡量电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。锂离子的电极电势约是3V,锂电池的电压随材料不同而有变化。如,一般的锂离子电池额定电压为3.7V,满电电压为4.2V;而磷酸铁锂电池额定电压为3.2V,满电电压为3.65V。换句话说,实用中的锂离子电池正极和负极之间的电势差不能超过4.2V,这是一种基于材料和使用安全性的需要。
假如以Li/Li+电极为参照电位,设μA为负极材料的相对电化学势,μC为正极材料的相对电化学势,电解液电势区间Eg为电解液低电子未占有能级和高电子占有能级之差。那么,决定锂电池高电压值的就是μA、μC、Eg这三个因素。
全球锂电池隔膜产量速增长,湿法隔膜占据主导地位。在锂电池下游市场不断扩张的带动下,全球锂电池隔膜增速不断提。根据相关数据统计,2015 年全球锂电池隔膜 产量为 12.9 亿平方米,同比增长 31.5%。2010-2015 年,锂电池隔膜产量年均复合增速达 20.87%。未来行业有望继续保持较增速,工锂电预计 2016 年整体产量增速 达到 29%。从产量结构来看,2015 年全球湿法隔膜占比为 65%,相较于 2014 年同比 上升 4 个百分点。这表明湿法工艺在全球锂电池隔膜产业的主导地位十分稳固。
近年来,中国和韩国企业逐步掌握干法隔膜制备工艺并持续扩大产能,行业的市场格局有所变化。2016 年日本、韩国、美国等5 家隔膜企业的市场占有率为 62%,相较于 2015 年的 68%下降 6 个百分点,行业集中度有所分散。
中国锂电池隔膜崛起,湿法占比低于全球水平。由于行业的巨大需求,国内涉足隔膜产业的企业不断增加,生产技术也取得长足进步,加快了中国隔膜国产化进程。据工锂电统计,2015 年中国锂电隔膜销量达到 6.28 亿平方米,同比增长 49.5%,预计 2016 年将达到8.15 亿平方米,同比增长 29.8%。2010-2015 年,我国锂电池隔膜销量年均复合增速达 62.7%。
同期,我国锂电池隔膜市场规模年均复合增速为 38.4%。在产能结构上,我国锂电池隔膜仍以干法工艺为主,2015 年湿法隔膜占比为 38%,虽较 2014 年同比上升 6个百分点,但仍远低于全球 68%的平均水平。目前我国锂电池隔膜生产企业纷纷加码湿法工艺,预计未来我国湿法隔膜产能占比将大幅提升。
锂离子电池能量密度,指的是单位体积或单位重量的电池,能够存储和释放的电量,其单位有两种:Wh/kg,Wh/L,分别表重量比能量和体积比能量。这里的电量,是上面提到的容量(Ah)与工作电压(V)的积分。在应用的时候,能量密度这个指标比容量更具有指导性意义。
基于当前的锂离子电池技术,能够达到的能量密度水平大约在100~200Wh/kg,这一数值还是比较低的,在许多场合都成为锂离子电池应用的瓶颈。这一问题同样出现在电动汽车领域,在体积和重量都受到严格限制的情况下,电池的能量密度决定了电动汽车的单次大行驶里程,于是出现了“里程”这一特有的名词。如果要使得电动汽车的单次行驶里程达到500公里(与传统燃油车相当),电池单体的能量密度必须达到300Wh/kg以上。
锂离子电池能量密度的提升,是一个缓慢的过程,远低于集成电路产业的摩尔定律,这就造成了电子产品的性能提升与电池的能量密度提升之间存在一个剪刀差,并且随着时间不断扩大。