锂电池的发展历程：从美宇航局研发到中国弯道超车

锂电池的发展历程：从美宇航局研发到中国弯道超车

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电动汽车的核心技术之一就是电池。从19世纪的构想到1991年索尼的商业化突破，再到当前中国企业在锂电池领域的崛起，这项年轻的技术经历了快速的发展。本文将从技术角度详细分析锂电池的发展历程。

商用锂离子电池的诞生

可充电锂离子电池的研究可以追溯到20世纪60年代。早期的例子之一是CuF2/锂电池，由美国宇航局于1965年开发，将其用到航天器上，但充电和储存都是问题。

1974年，英国化学家M. Stanley Whittingham使用二硫化钛( TiS2) 作为阴极材料，研发出现代化的锂电池，这种电池采用层状结构，可以吸收锂离子，不会对晶体结构产生影响。

埃克森美孚在70年代末试图将这种电池商业化，但发现合成成本高昂且复杂，因为TiS2对水分敏感，释放有毒气体。更糟糕的是，由于电池中含有金属锂，电池也容易自燃。

1985 年，旭化成公司的吉野彰发现石油焦（一种石墨化程度较低的碳）可以在低电位下嵌入锂离子，且不会发生结构降解。其结构稳定性源自无定形碳区域，虽然与石墨相比，它的容量较低，但由于稳定性，成为锂离子电池嵌入阳极的理想材料。

1987 年，吉野彰申请了专利，他使用LiCoO 2作为阴极，并使用碳酸酯基电解质。电池是在放电状态下组装的，这使得制造起来更安全、更便宜。1991年，索尼利用吉野的设计开始生产和销售世界上第一款可充电锂离子电池，用于手持摄像机。次年，东芝与旭化成株式会社的合资企业也推出了锂离子电池。

20世纪90年代，研究人员先用硬碳代替吉野的软碳阳极，后来又用石墨代替，显著提高了能量密度，创造了现代锂离子电池的基本设计。时隔多年，锂电池的早期研发人员拿到迟来的奖项，2019年，古迪纳夫、惠廷汉姆和吉野彰因“开发锂离子电池”而获得2019诺贝尔化学奖。

磷酸铁锂和三元锂电池的诞生时间

当前电动车使用的锂电池主要包括两种，那就是磷酸铁锂电池和三元锂电池，其中磷酸铁锂电池诞生更早，1996年，由德克萨斯大学 John Bannister Goodenough 研究小组发现，LiFePO4磷酸铁锂电池热稳定性较高，很快成为电动车的主流电池选择。

三元锂即锂镍锰钴氧化物 (NMC)电池。2001年，Christopher Johnson、Michael Thackeray、Khalil Amine和Jaekook Kim为 NMC富锂阴极申请了专利，比磷酸铁锂更迟，但由于更高的能量密度，迅速发展壮大。

尽管名字很花哨，但它们都是锂离子电池，工作原理相同，并且具有相同的基本组件，每个电池包含两个电极：正极和负极。它们之间有一个由塑料或陶瓷制成的非导电隔板，以及一层薄薄的液体电解质。

锂离子电池的命名取决于阴极的配方。镍锰钴 (NMC) 和磷酸铁锂 (LFP）代表电池阴极的混合物，阳极始终以碳为基础，通常由石墨制成。

根据镍锰钴的配方占比，三元锂电池又细分为多种，这种混合比就像烘烤不同的蛋糕，将化学物质混合成糊状物，涂在铝箔上并干燥，制成了阴极；涂在铜箔上的石墨糊制成了碳阳极。不同的配方赋予电池不同的特性。三元锂电池可以储存更多能量以增加续航里程，钴有利于提高功率密度，但更便宜的磷酸铁锂电池没有昂贵的镍或有争议的钴，同时更稳定，不易自燃。

中国实现弯道超车

2010 年，全球锂离子电池产能为20GWh。2016年，达到28GWh时，其中中国占16.4GWh。2020年全球电池产能为767GWh，中国占75%。

2024年上半年全球新能源汽车销量超过600万辆，动力电池装机量约346.5GWh。全球电池TOP10依次为，宁德时代、比亚迪、LGES、松下、中创新航、SK on、三星SDI、国轩高科、亿纬锂能、孚能科技，前十市场占比超过90%。中国企业进一步挤压日韩企业的市场份额。