在11月4日舉行的 “2022清潔能源技術(shù)與雙碳科學(xué)論壇” 上，中科院物理研究所研究員、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副主任黃學(xué)杰與華中科技大學(xué)教授黃云輝進(jìn)行了以 “動力電池技術(shù)的未來” 為主題的分享與討論。

黃學(xué)杰在會上說，眼下，動力電池已經(jīng)成為中國汽車行業(yè)的關(guān)鍵出口部件，而且支撐了汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。今年中國電動車產(chǎn)量即將超過600萬輛，占全球一半以上，其中60%以上的動力電池是由中國生產(chǎn)。生產(chǎn)這些電池的材料、核心的裝備2/3以上也是在中國本土生產(chǎn)的。

現(xiàn)在，特斯拉向美國、歐洲銷售的車輛很大一部分使用的是寧德時代的磷酸鐵鋰電池；日本豐田在汽車界長期是技術(shù)領(lǐng)先者，今天在買比亞迪的電池；德國將會有10萬輛比亞迪電動汽車作為出租車，這在過去是無法想象的。

黃學(xué)杰介紹說，動力電池行業(yè)有今天的發(fā)展，最重要的是鋰離子電池技術(shù)的貢獻(xiàn)。鋰離子電池能量密度高，壽命長，成本相比過去有了大幅度下降。對此，中國政府有一個近三十年的謀劃，長期布局新能源汽車和動力電池產(chǎn)業(yè)，在研發(fā)上投入了幾千億元，還投入了更多補(bǔ)貼用于拉動市場。十五年前，中國抓住發(fā)展第二代動力電池的機(jī)會，對動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展制定了目標(biāo)清晰的宏觀計劃。令人欣慰的是，今天動力電池達(dá)到的所有指標(biāo)都超過了十五年前發(fā)布的指標(biāo)。

如何區(qū)分動力電池屬于第幾代？黃學(xué)杰解釋，正極材料決定了動力電池的性能。第一代動力電池是錳酸鋰電池，當(dāng)年日本技術(shù)領(lǐng)先，賣得最紅火的車是日產(chǎn)聆風(fēng)，銷量接近100萬臺。但錳酸鋰電池容量不足，聆風(fēng)只有200多公里續(xù)航里程。第二代是磷酸鐵鋰跟三元電池，分別滿足普及型和高端型需求。使用磷酸鐵鋰電池的電動汽車能續(xù)航400-500公里，三元電池能夠續(xù)航600-700公里。

黃學(xué)杰回顧，第一代的錳酸鋰電池日本領(lǐng)先，中國只能跟蹤高技術(shù)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)時，國內(nèi)第一代電池不能滿足汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，只能先從兩輪車做起，通過學(xué)習(xí)進(jìn)入動力電池行業(yè)。中國當(dāng)時成立的企業(yè)，如今仍然是全球最大的兩輪車企業(yè)。

在此基礎(chǔ)上，中科院在2006年開始推動磷酸鐵鋰電池的發(fā)展，也就是今天最主流的電池。“中國抓住了磷酸鐵鋰的機(jī)會，磷酸鐵鋰材料幾乎全部在中國生產(chǎn)。2021年全球生產(chǎn)了49.5萬噸，中國生產(chǎn)了49萬噸，接近99%，電池也是這個情況。更重要的是，磷酸鐵鋰電池是電力儲能最優(yōu)的電池?，F(xiàn)在國家能源局禁止中大型化學(xué)儲能電站使用三元電池，只允許用磷酸鐵鋰電池，就是因?yàn)樗懈玫陌踩浴?rdquo; 黃學(xué)杰說。

“總的來講，經(jīng)過長期的謀劃。從 ‘863’ 第一期開始，中國一步一步實(shí)現(xiàn)了動力電池從材料到裝備，從制造能力到研發(fā)能力的突破，走到國際靠前的位置。” 黃學(xué)杰說。

中國動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源壓力

黃學(xué)杰指出，中國動力電池和電動汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在國際上占據(jù)了重要地位，但并不是沒有發(fā)展壓力，資源問題仍在制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展。一些關(guān)鍵的金屬元素現(xiàn)在開始供應(yīng)緊張，典型的例子是鋰的價格。碳酸鋰從兩年前的4萬元一噸，漲到55-56萬元一噸。盡管中國鋰儲量是世界第四名，但在國際上卻受制于人。國際上已經(jīng)開始行動，南美幾個鋰資源大國準(zhǔn)備成立鋰佩克，即鋰資源的壟斷組織。加拿大最近也宣布取消三家中國企業(yè)的鋰礦產(chǎn)合同。

這只是鋰資源的情況，實(shí)際上，鈷的情況更為嚴(yán)峻。黃學(xué)杰表示，全球的鈷大部分已經(jīng)被用到鋰電池中，鋰電池未來可能面臨無鈷可用的情況。所以做無鈷電池，同時節(jié)省鋰、鎳資源非常重要。

“資源的問題日益突出，占的市場份額這么大、產(chǎn)能這么大，但資源又受制于人，這個問題怎么解決？” 黃學(xué)杰指出，動力電池必須走向第三代。“性能提升是一方面，資源的節(jié)約、資源稀缺元素的替代變得尤為重要。” 黃學(xué)杰說。

三代電池的性能相比二代電池都有明顯提升。二代磷酸鐵鋰電池便宜、資源用量少，但續(xù)航里程不夠長，冬天北方的司機(jī)感受尤其明顯。磷酸鐵鋰電池的升級版是5V尖晶石鎳錳酸鋰電池，性能提升的原理是在鋰離子量相同的情況下，通過提升電壓來增加容量。

“同樣的鋰離子量，把電壓升上去。跟水電一樣，水電抽的是水，鋰離子電池里面在正負(fù)極抽的是鋰離子，用更高的電壓分散鋰離子的時候，就能儲存更多的能量。所以鎳錳酸鋰電池電壓比今天的磷酸鐵鋰電池高40%還要多一些。” 黃學(xué)杰說。

技術(shù)上的難點(diǎn)是，今天的車用電池電壓一般是4.2V，鎳錳酸鋰電池需要充電到4.9V，同時還要保持電池壽命。黃學(xué)杰表示，經(jīng)過科學(xué)家二十多年的工作，現(xiàn)在充到4.9V的鎳錳酸鋰電池，在常溫與高溫條件下的壽命均超過充到4.2V的三元電池。跟同樣高水平的磷酸鐵鋰比，同樣尺寸能量多了50%，低溫性能提高，成本按目前碳酸鋰資源價格計算低了29%。

三元電池的升級版則是高密度的鎳酸鋰/合金化負(fù)極電池，不再依賴鈷資源。黃學(xué)杰解釋，鎳酸鋰材料配合高容量的負(fù)極解決了一系列材料穩(wěn)定性問題。過去三元電池把鎳密度做高會出現(xiàn)很多問題，包括鎳很難被制成單晶，但現(xiàn)在經(jīng)過物理所致密微晶技術(shù)的處理，高鎳材料變得非常穩(wěn)定。

黃學(xué)杰表示，在不用鈷的情況下，升級版三元電池的正極材料的能量密度提升了，負(fù)極材料的提升尤為明顯，把石墨360毫安時/克的實(shí)際容量提升為合金的3000毫安時/克的容量。到去年年底，高鎳電池容量已經(jīng)提升到750瓦時/升，今年年底努力演示900瓦時/升。預(yù)計明年年底就能夠達(dá)到三元的1.5倍，也就是提升50%，而且成本相應(yīng)下降了30%。

黃學(xué)杰透露說，目前，第三代電池的研究不僅僅是在實(shí)驗(yàn)室做，比如南方的松山湖材料實(shí)驗(yàn)室在做三代電池的材料和中試，并且對電池企業(yè)和有能力、有意愿做電池的整車企業(yè)開放了平臺，最近有多家企業(yè)開始到這邊DIY，自己做出第三代電池。

不過，以上兩種第三代電池還是需要鋰資源。在鋰資源如此緊張的情況下，鋰在大規(guī)模應(yīng)用中是否有替代品？對此，黃學(xué)杰介紹，中科院物理所從2010年開始布局鈉離子電池，它在動力上可以滿足低速車輛的需求，比如兩輪車和普通物流車就可以用鈉離子電池替代鋰電池?，F(xiàn)在鈉離子電池一系列的材料已經(jīng)研發(fā)成功。

此外，對于第四代電池的前景，黃學(xué)杰判斷第四代電池是十年以后的事情，涉及涉及一系列的革命性技術(shù)，全球還在競賽之中。

動力電池技術(shù)發(fā)展要注重安全性

在交流中，華中科技大學(xué)教授黃云輝指出，電池有幾個關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，“還有一個很關(guān)鍵的因素是安全性，電池的安全關(guān)系到電動汽車的安全，無論是從電動汽車來講還是從規(guī)模儲能來講，在考慮能量密度的同時，更重要的還要考慮到它的安全性。”

黃云輝表示，現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界都在研究材料體系，因?yàn)椴牧象w系決定了電池體系。正極材料的變革方向之一是高鎳體系，鎳的含量越高，電池能量密度會越高，但安全問題可能更具挑戰(zhàn)性。

“其實(shí)現(xiàn)在的電動汽車就續(xù)航里程而言，達(dá)到1000公里并不難，一方面可以靠增加容量、裝機(jī)量實(shí)現(xiàn)，另一方面可以靠提升電池本身的能量密度。在推向?qū)嶋H應(yīng)用的時候，如何解決它的綜合性能問題，特別是安全問題才是關(guān)鍵。” 黃云輝說。

針對下一代的電池體系，黃云輝和黃學(xué)杰都認(rèn)為，鈉離子電池和固態(tài)電池是未來的發(fā)展方向。黃云輝認(rèn)為，現(xiàn)在鈉離子電池已經(jīng)走到實(shí)際應(yīng)用的臨界點(diǎn)，應(yīng)該會在兩三年之后在應(yīng)用方面有更大的進(jìn)展。從綜合性來講，鈉離子電池跟鋰離子電池相比還是有一定的差距，這是它本身的因素決定的。但是在鋰資源匱乏情況下要未雨綢繆，開發(fā)鈉離子電池這樣的新型的電池體系，盡快推進(jìn)它的應(yīng)用。

黃云輝介紹，現(xiàn)在國內(nèi)已有接近100家企業(yè)在鈉離子電池方向布局，包括材料體系、電池體系以及背后的系統(tǒng)，在應(yīng)用方面也是在躍躍欲試，鈉離子電池整個產(chǎn)業(yè)鏈有希望在近幾年完善。

“鈉離子電池日后在電動汽車、規(guī)模儲能上的應(yīng)用，還有一定的路要走，特別是綜合性能、安全性這些因素。要經(jīng)過規(guī)模應(yīng)用的驗(yàn)證才能考驗(yàn)這種鈉離子電池的應(yīng)用前景到底如何，這也是日后很大的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。” 黃云輝說。

現(xiàn)在圍繞鈉離子電池有一些爭議，主要是關(guān)于鈉離子電池能否在電動汽車中應(yīng)用。對于這個問題，黃云輝認(rèn)為現(xiàn)在鈉離子電池已經(jīng)能夠做到150-160瓦時/升左右的能量密度，跟磷酸鐵鋰比較接近，有希望在電動汽車中應(yīng)用。此外，鈉離子電池用于規(guī)模儲能，特別是分布式儲能應(yīng)用的前景可能會大。

固態(tài)電池同樣是最近幾年國內(nèi)外的熱點(diǎn)，多家企業(yè)已經(jīng)在布局。黃云輝判斷，全固態(tài)電池要十年以后才有可能產(chǎn)生材料體系或者電池制備技術(shù)的革命，當(dāng)下固液混合、半固態(tài)電池的應(yīng)用前景值得期待。

電池的綜合性能，特別是安全性能如何來提升？黃云輝認(rèn)為，安全性首先決定于電池材料，電池材料里面怎么通過正負(fù)極材料、電解液材料、隔膜材料、集流體材料綜合考慮，解決本身的安全，這點(diǎn)非常重要。

黃云輝介紹，“十四五”期間中國已經(jīng)布局了徹底解決電池安全安全的一些關(guān)鍵材料，包括PT鋁、PT銅這樣的復(fù)合集流體，它們不但可以解決穿刺這類的安全問題，也可以減重，從另外一個角度還可以增加能量密度。

黃云輝也對電池鋰資源問題進(jìn)行了展望。他認(rèn)為電池回收利用，包括梯次利用、再生利用的技術(shù)不僅能解決環(huán)保問題還能解決資源問題，會是一個大產(chǎn)業(yè)，未來的發(fā)展值得期待。

文章來源：知識分子

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