“社會可持續發展戰略對動力電池技術的突破提出了剛性需求，現今動力電池行業得到迅猛發展，中國在2016年超越日本成為全球動力電池第一大生產制造國。但目前動力電池性能亟需提升，提高電池能量密度是眾多待突破技術中的核心。目前最有效的解決策略是在電極材料和電解液領域進行技術創新。”

 

中國科學院院士張鎖江于8月26日在“2017動力電池新材料技術與發展高峰論壇”上作了題為《動力電池系統的機遇與挑戰》的精彩報告中講到。

 

在此次論壇會議上，他著重強調了動力電池系統發展中所遇到的機遇和挑戰，并從三個方面做了論述。其演講實錄摘編如下：

 

一、機遇與挑戰

 

首先談談世界的大趨勢。我們如今身處“地球村”，互聯網等媒介將全世界都連接在了一起。當代另一個明顯的重要特征：科技發展日新月異。這些大挑戰反饋給科技創新，會帶來什么樣的趨勢呢？具體到重要研究方向，我認為是新能源、新材料、生命健康和綠色環保。

 

電動汽車將對世界能源格局的變化產生深遠影響，目前全世界都在大力發展電動汽車。2016年，我國電動汽車銷量突破50萬輛，預計2020年的產量將達到200萬輛，產值超過6000億元。

 

我國原則上不再核準新建燃油汽車項目，并嚴格控制現有汽車企業擴大傳統燃油車產能。國外方面，在G20漢堡峰會上，法國、德國、印度、挪威等國家明確表態將全民禁售燃油車，松下、三星、LG等知名公司著手大力發展電動汽車電池市場，已開啟車用電池“大戰”。

 

電動汽車已不僅僅只是一輛車，而是一個新的機遇。它將能極大地解決環境污染問題、能源危機、同別國的爭端問題，同時促進智能車的發展，并通過車聯網讓“地球村”聯系得更緊密。

 

電動汽車將通過智能電網與新能源發電共同發展。電池儲能是一個大的系統，在很多領域上都能應用，比如3C產品、電動汽車、智能穿戴、航空航天和規模儲能等。每一個領域對電池的要求都不一樣，比如3C產品需要的是小型化、高能量的電池，而電動汽車則要求高能量、高功率、長壽命的電池。

 

實際上，電池儲能是一個產業鏈，從國家的角度來講要建立貫通研發的模式，關鍵技術主要靠科學院、科研機構來解決，當然也包括一些企業的研發中心。那企業主要做什么呢？企業要做關鍵示范，然后再推廣。

 

目前，從材料、器件到系統這樣一個貫通的研發模式已經存在，只是仍然比較松散。大家都說科技成果轉化力不夠，事實上是從ABC到XYZ的鏈條沒有做好，這里面包含了一個系統的研發模式，包括從分子水平分析、納微成像到中試、工業示范、實況產品檢驗等，主要的挑戰是動力電池、規模儲能、特種電池的放大效應，需要科研和產業界聯合起來，構建一個完整的、先進的研發大平臺。

 

關于鋰電池的研究，大視野下的納微原位解析是非常重要的，要建立跨尺度的模擬仿真技術，特別是納米級別的模型尤為重要，但這一條研究鏈并沒有建立起來。另外，智能大數據系統急需建立，剛才新材料在線®和尋材問料也提出來了，這個大數據系統要服務于成千上萬家的企業，成為科研單位、企業和用戶之間的橋梁和紐帶。除此之外，要建立共享的理念。共享是沒有邊界的，比如北京的中關村、懷柔、上海、深圳、廣州和香港等地都可以共享人才、共享平臺、共享資源、共享成果，這個理念非常重要。

 

那具體在運作模式上是如何實現的呢？大家來自五湖四海，股份制是最好的，新的運作模式就是共同創造、共同分享、引領未來。如果我們要建一個國家級的大平臺，一定要做到“三總”（總指揮、總工程師、總保障師），分工協作。總工僅僅負責技術方面的事情，資金或者其它事務讓總指揮來做，另外有總保障師做后勤保障。

 

我們正在面臨著一個歷史性的重大機遇，中國2016年已經超越日本成為全球電池儲能第一大國，而且動力電池產業發展迅猛，2016年銷量達到30GWh。科研方面，全釩液流電池實現產業化，鋰液流電池進入示范階段。中國強大的經濟社會發展對電池儲能技術突破提出了剛性要求。

 

二、研究進展

 

這部分主要講講我們目前的研究進展，針對動力電池、超級電容和儲能電池。

 

1 .動力電池方面

 

動力電池目前主要存在四方面問題：一、續航里程短、成本高；二、充電速度慢；三、安全性差，易燃易爆；四、環境適應性差。

 

在全世界范圍來看，這些問題都是普遍存在的，其中續航里程短可以歸結為能量密度低。怎樣讓動力電池既便宜又擁有高能量密度呢？這是一個很難解決的問題。我們最近與北京協同創新研究院、美國康奈爾大學都有在研討這個問題。

 

能量密度要提高到300Wh/kg，電極材料和電解液的創新是根本，這也是一個系統的問題。電極材料方面，我們要從磷酸鐵鋰/石墨體系過渡到三元/石墨體系，未來朝向高鎳三元/硅碳體系發展。電解液則是從常規的4.2V電解液往高壓電解液（4.8-5.0V）發展。

 

總的來說，提高動力電池性能，需要解決高容量電極材料問題、高壓高安全電解液問題、電芯及電池組工藝問題。我們這些年組建了從材料到系統的協同創新團隊，研究電極材料、新型電解液，并和企業合作進行電池組裝測試實驗。

 

（1）高容量電極材料方面

 

目前需要重點突破第三代動力電池電極材料，這是針對電動汽車和規模儲能用的。

 

高電壓高電容正極材料的研發策略是材料改性結合電解液優化，包括濃度梯度材料＋包覆、摻雜改性；人造CEI膜或添加劑原位構造CEI膜。高容量高穩定性的硅碳負極材料的問題解決策略則是SiOx顆粒可控生長、碳原位包覆；SiOx/C納微復合多級結構的構筑。硅球與碳納米管整體電極的研究，解決了硅膨脹和導電性差的問題；硅碳負荷微球材料的容量高、循環穩定；硅碳三維網絡結構則進一步提高容量至1100mAh/g。

 

（2）高壓電解液方面

 

可以看到電解液現存的問題是適應性差、種類繁多，我們近期目標是開發高壓、高安全電解液，把離子液體作為添加劑。中長期目標是開發出一種兼容性強、適應更多種類電極材料的電解液。高壓安全電解液的研究工作很龐大，是一個系統的工作。我們的思路是

 

通過研究離子液體構效關系，開發離子液體添加劑、離子液體共溶劑、離子液體全溶劑，再研發出新一代離子液體電解液，最后實現產業化。

 

我們從2007年開始研究離子液體電解液，到2016年做到了規模化生產。最新的一個工作是開發了4.95V高電壓離子液體電解液，10次循環后效率大于99.5%，200次循環容量保持率為95%。我們把它做成了鎳錳酸鋰/鈦酸鋰全電池，性能還不錯。送到多個第三方檢測機構檢測，結果顯示比國外的電解液還要好一些。目前離子液體及離子液體電解液已經國內外多家使用。

 

電解液溶劑的設計開發也很重要，EC（碳酸乙烯酯）、DMC（碳酸二甲酯）是電解液中重要的溶劑。它的反應是離子簇催化的過程，這些過程沒有辦法都用實驗來觀察到，所以我認為要想辦法在“大”的條件下去模擬出來，如今是做到了。

 

（3）電芯及電池組工藝

 

接著突破了反應器放大的難題，我們用兩年時間優化工藝，大幅降低了工藝系統的能耗，解決了反應器內氣液分布不均的技術瓶頸，實現氣液100%轉化，也降低了后續處理的能耗。另外，我們希望能把年產7萬噸的離子液體均相催化DMC新工藝的工地建設起來。

 

回到動力電池本身，這個系統里面包含了非常多東西，需要解決幾個“一致性”的問題。我認為要大力提升生產信息化、智能化水平，構建大數據全生命周期管控體系，具體需要實現原料一致性、工藝一致性、環境一致性。比如材料中帶芯片，這樣的智能材料可以實時響應，全生命周期跟蹤，大數據處理。所以要把電池管理系統（BMS）的開發工作做起來，采用數值模擬強化物質、熱、電、信息一體化管理系統，實現熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警管理。

 

電池系統的信息流非常重要，要建立系統方法來揭示物質、能量、信息的耦合關系，支撐電池系統創新。電池要有BMS進行實時監測，實現單體電池電壓、溫度、充放電電流的實時監測與控制優化算法精準地對電池組SOC、SOH狀態進行估算和監控。更重要的是實現電容器跟電池的耦合，通過耦合構成一個大的系統，大幅度節能。

 

2 . 超級電容

 

超電容主要是要提高它的電壓。我們開發了凝膠電解質，多種形式的炭復合材料可以發揮其高比電容的優勢。摻氮活性炭雙層電容器能量密度可以達到130Wh/kg。而準固態鋰離子超電容的內阻小、電化學窗口達4V，最大能量密度可以達到146Wh/kg，最大功率密度可以達到22.6KW/kg。

 

3. 儲能電池

 

我們國家的儲能行業正處于高速發展的階段，但是一般儲能用電池的能量密度都很低，而鋰離子液流電池的能量密度可達50-100Wh/kg，或許能成為新一代的規模儲能技術，目前也正朝著商業化發展。在鋰硫液流半固態電池方面，我們設計和制備了具有“自穩定”特性的電極漿料，流體電極穩定性高、流動性高、黏度低、電導率高、倍率放電性能突出，能量密度可達400Wh/L。流體電極循環性能方面，1C倍率循環1100周后容量保持51%，穿梭效應得到抑制。我們還支持間歇流動放電和連續流動放電，也可以長時間流動充放電。

 

三、未來展望

 

最后講講未來的展望。

 

不得不說，動力電池迎來了大發展。首先是高能化，從現在的200Wh/kg、300Wh/kg的目標朝未來500Wh/kg發展，甚至會更高。其次是安全性，電解液從液態、凝膠往全固態發展。還有快充化，從現在的幾十分鐘到幾分鐘，充電時間越來越短。我認為這些目標一定能實現。

 

而儲能電池市場的潛力非常大，國家正在發展清潔能源，儲能是能源革命的關鍵支撐點。2030年中國風光儲能市場空間有望達到1萬億元。我們在實驗室開發了一個MW（兆瓦）級鋰離子液流儲能電池示范工程建設，將來希望達到10MW、100MW級別。

 

另外，我們要關注“后鋰電”時代的幾種電池。燃料電池需要提高能量轉化效率，重點解決催化劑中毒的問題。鋰-空電池則要解決“鋰枝晶”問題，其中電解質是關鍵。到了2025年左右，金屬鋰電池或許會迎來大發展。

 

說了這么多，電池回收也是非常重要的。我們國家的鋰、鈷、鎳大多依賴進口，其中國內鹵水資源中的鎂鋰比高、開發難度大，云母礦品味低；而鈷的含量僅占世界的1.03%，消耗卻占全世界總量的50%，95%以上依賴進口；鎳含量僅占全世界總量的3.0%，消耗卻占全世界的20%以上，進口率高達60%。電池回收是可持續發展的必由之路。

 

另外，鋰鹽的供求關系需要高度重視。數據顯示，我國鋰總儲量排名世界第二，但鋰產量僅占全球的5%以下。其中2015年碳酸鋰需求量為7.9萬噸，大部分是進口的。預計2020年世界碳酸鋰總需求量為46萬噸，我國需求總量將達到18萬噸。我們有必要創新鹽湖提鋰新工藝，比如沉鋰母液未能有效利用，直接外排造成了浪費，另外，高純碳酸鋰生產技術開發也是當前國際難點，這些情況都要改善。

 

總結起來，材料革命將推動電池儲能革命。從材料到電池的革命，將改變世界、改變生活。要實現這個目標，我們必須構建電池儲能的研發大平臺。我在想，深圳是否能建成一個真正的電池國家級平臺？將大學、研究所、產業界的優勢力量集成，共同搭建這個大平臺，滿足國家能源領域戰略需求，體現國家意志、承擔國家任務。這將成為國家創新體系的核心力量。