近年來鉛酸電池行業(yè)在進(jìn)行了一系列的改革整治，行業(yè)洗牌加速的同時，鋰電池和氫能源電池異軍突起，已經(jīng)開始蠶食鉛蓄電池的市場份額。本文主要從鉛蓄電池產(chǎn)業(yè)地位與發(fā)展趨勢、面臨挑戰(zhàn)以及回收過程存在的問題入手，同時介紹鋰電池和氫能源電池的現(xiàn)狀，加之鉛蓄電池、鋰電池和氫能源電池的優(yōu)劣勢比較，以及對未來發(fā)展前景進(jìn)行了全面分析。

 

一、鉛蓄電池

 

㈠ 鉛蓄電池產(chǎn)業(yè)地位與發(fā)展趨勢 

 

中國是全球最大的鉛酸蓄電池生產(chǎn)國和鉛酸蓄電池消耗國。根據(jù)全球鉛酸電池產(chǎn)能來看，中國鉛酸電池的產(chǎn)量在全球鉛酸電池的產(chǎn)量中占比45％，占比最高；美國鉛酸電池的產(chǎn)量緊隨其后，占比為32％，日本鉛酸電池的產(chǎn)量在全球中的占比不到我國鉛酸電池占比的三分之一，為13％。

 

我國鉛酸電池的產(chǎn)量在全球占比較多的原因是，近年來，我國通過引進(jìn)歐美日韓等國家在我國投資建廠，并吸納、消化國外技術(shù)，使我國鉛酸電池的的制造技術(shù)已經(jīng)接近了國際先進(jìn)水平。

 

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數(shù)據(jù)顯示，2010－2017年，全球鉛酸蓄電池市場規(guī)模穩(wěn)步增長。2013年，全球鉛酸蓄電池市場規(guī)模首次突破400億美元，此后均保持在400億美元以上。2017年，全球鉛酸蓄電池市場規(guī)模約為429億美元，同比增長0．70％。

 

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據(jù)統(tǒng)計，2015年鉛酸蓄電池占電池市場一半以上份額約為54．67％。從全球范圍來看，2015年鉛酸蓄電池市場規(guī)模為422億美元，這一市場規(guī)模仍將保持2％－5％的年增長率，預(yù)計2018－2023年，鉛酸蓄電池市場規(guī)模難有大幅度上漲，但仍將維持在400億美元水平上。

 

“十一五”期間，鉛蓄電池市場規(guī)模迅速擴(kuò)大，每年產(chǎn)量平均以約20％的增速上升。據(jù)SMM統(tǒng)計，截止2018年底，鉛蓄電池行業(yè)產(chǎn)能已超出4億KVAh。在未來的幾年里，鉛酸蓄電池行業(yè)仍將在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。

 

鉛蓄電池銷售收入在整個電池行業(yè)中所占比例較大，盡管在儲能領(lǐng)域被鋰離子電池部分替代，但難以動搖鉛蓄電池的市場地位。

 

據(jù)統(tǒng)計，鉛約占鉛蓄電池總成本的70％。市場上60V20AH的鉛蓄電池重量一般是在35kg左右，鉛酸電池的含鉛量一般在65％左右，也就是有22．75kg的鉛，即鉛蓄電池平均每度電需要消耗18．96kg的鉛。結(jié)合鉛蓄電池的市場占比過半并仍有緩慢增長之勢，短暫來看鉛蓄電池對于金屬鉛的需求仍是值

1、固態(tài)鋰電池的潛在技術(shù)優(yōu)勢

固態(tài)鋰電池，與傳統(tǒng)鋰電池相比的最大特點(diǎn)在于其使用了固態(tài)電解質(zhì)材料，當(dāng)使用的電極和電解質(zhì)材料均為固態(tài)、不含任何液態(tài)組分時，則為全固態(tài)鋰電池。固態(tài)電解質(zhì)改變了鋰電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件，帶來巨大的技術(shù)優(yōu)勢潛力。

 

 

固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)原理示意圖

固態(tài)鋰電池的主要技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在，一是安全性高，不含易燃易揮發(fā)有毒性的有機(jī)溶劑，不存在漏液問題，有望避免鋰枝晶的產(chǎn)生，大幅度降低電池燃燒、爆炸的風(fēng)險。二是循環(huán)壽命長，不存在液態(tài)電解質(zhì)在充放電循環(huán)過程中產(chǎn)生固體電解質(zhì)界面膜的問題，目前研發(fā)的預(yù)期壽命是15000-20000次。三是能量密度高，傳統(tǒng)鋰電池中隔膜和電解液體積占比40%，固態(tài)電解質(zhì)能大幅縮減電池正負(fù)極間距離，提高體積比能量，全固態(tài)鋰電池能量密度預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/kg。四是系統(tǒng)比能量密度高，固態(tài)電解質(zhì)無流動性，可實現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體，利于提升動力電池系統(tǒng)成組效率和能量密度。五是正負(fù)極材料選擇范圍寬，可同時兼用金屬鋰負(fù)極和高電勢正極材料等新技術(shù)，全固態(tài)金屬鋰電池是未來新型電池的研發(fā)方向。除此之外，固態(tài)電池的工作溫度范圍、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬，并且具備薄膜化、柔性化的潛力。

2、全球企業(yè)紛紛布局固態(tài)電池，爭奪先機(jī)

由于當(dāng)前磷酸鐵鋰和三元鋰電池自身的瓶頸，以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢，歐美、日韓、中國等國家的涉及動力電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上眾多企業(yè)正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。

總體上，歐美國家主要是立足于固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)業(yè)型公司，日本主要以傳統(tǒng)車企、機(jī)械企業(yè)為主的電池技術(shù)創(chuàng)新。中國的企業(yè)相對來說進(jìn)入固態(tài)鋰電池領(lǐng)域的時間較晚，且主要以科研機(jī)構(gòu)或院校為支撐，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。

研發(fā)方面，國內(nèi)主力為中科院的科研機(jī)構(gòu)，有一定積累并與國外基本處于同一水平，但能量密度距離理論值仍有較大的提高空間，離子導(dǎo)電率、循環(huán)壽命也亟待進(jìn)一步提升。固態(tài)鋰電池根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)分為三條技術(shù)路線，分別為聚合物、氧化物與硫化物固態(tài)電解質(zhì)，各科研機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)路線并不相同。其中，中科院青島能源所與中科院化學(xué)所兩家主攻聚合物固態(tài)鋰電池，前者的實驗樣品能量密度達(dá)300Wh/kg，并首次完成深海測試，后者則突破了聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫下低導(dǎo)電率的瓶頸;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技術(shù)，研制的10Ah軟包電池能量密度達(dá)310-390Wh/kg，體積比能量達(dá)800-890Wh/L;中科院寧波材料所、上海硅酸鹽研究所分別聚焦于無機(jī)固態(tài)鋰電池和復(fù)合固態(tài)鋰電池的研究。

3、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)壁壘亟待突破

經(jīng)過企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的攻關(guān)，目前固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)得到突破，能量密度超過300Wh/kg，但基本都是實驗室產(chǎn)品，距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

在技術(shù)層面，固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電率、固/固界面相容性和穩(wěn)定性仍是兩大制約問題。聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電性在常溫下較低，一般需要加熱至60oC以上才能正常工作，如法國Bolloré則采用聚合物電解質(zhì)與電池加熱的技術(shù)路線;硫化物電解質(zhì)的導(dǎo)電率目前與傳統(tǒng)鋰電池的水平相當(dāng)，但仍需突破界面相性問題，主要通過材料合成和納米層技術(shù)增大活性物質(zhì)的量、降低界面層電阻。同時，金屬鋰負(fù)極、新型復(fù)合正極材料仍在研發(fā)中，有望實現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用，屆時能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環(huán)壽命將有巨大的突破。

整體上來看，固態(tài)鋰電池的生產(chǎn)制備成熟度還亟待加強(qiáng)，規(guī)?；?、自動化的生產(chǎn)線還需要進(jìn)一步研發(fā)，目前仍處于行業(yè)積累期。固態(tài)電池總體發(fā)展路徑為，受制于固/固界面穩(wěn)定性問題，液態(tài)電解質(zhì)的含量逐步減少，由液態(tài)→半固態(tài)→固液混合→固態(tài)→全固態(tài)電池過渡;在全固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展上，受制于金屬鋰負(fù)極可充性問題，負(fù)極材料將從石墨→合金化負(fù)極(如Si/C)→金屬鋰負(fù)極進(jìn)行過渡。隨著研發(fā)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)方面的發(fā)展，固態(tài)電池的性能與生產(chǎn)將逐步優(yōu)化，在動力電池市場迎來機(jī)遇。

(三) 潛在技術(shù)的替代者依然存在

除了對當(dāng)前鋰電池的改善及固態(tài)電池的布局，在動力電池技術(shù)創(chuàng)新中，國內(nèi)外企業(yè)和機(jī)構(gòu)/大學(xué)紛紛進(jìn)行了不同嘗試，一些指標(biāo)較目前水平有較大改善，為動力電池性能的提升提供了有力參考。

通過對收集的典型創(chuàng)新案例技術(shù)指標(biāo)梳理，可以發(fā)現(xiàn)，目前一些產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)已經(jīng)得到提升。在能量密度方面，鋁空氣電池能量密度達(dá)到780Wh/kg，鋰硫電池達(dá)到350Wh/kg，固態(tài)電池達(dá)到360Wh/kg;在充電倍率方面，典型創(chuàng)新性產(chǎn)品最高充電倍率已經(jīng)超過100C。在循環(huán)壽命方面，典型創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)能夠超過15000次。

但目前動力電池創(chuàng)新性產(chǎn)品一般都是實驗室產(chǎn)品，新型電池在下一步產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，還面臨許多挑戰(zhàn)。比如鋰硫電池安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉(zhuǎn)換效率低和循環(huán)次數(shù)低，短時間很難在車用領(lǐng)域得到應(yīng)用。總的來說，目前這些研究雖然處于實驗階段，距離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)，是否能夠在一定時期替換現(xiàn)有體系電池在業(yè)界也存在爭議。但毫無疑問這些電池有望打破當(dāng)前動力電池的一些技術(shù)瓶頸、降低電池成本，創(chuàng)造更長續(xù)航里程，在動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，這些電池不容忽視。