2021年，十四五開(kāi)局，“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”國(guó)際承諾已許下，汽車革命邁向以智能化、網(wǎng)聯(lián)化為核心的中高級(jí)發(fā)展階段……2021年1月15-17日，第七屆中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇在釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館以線上方式舉辦召開(kāi)，會(huì)議主題是“新發(fā)展格局與汽車產(chǎn)業(yè)變革”，會(huì)議引來(lái)多方關(guān)注。在1月17日上午進(jìn)行的未來(lái)電池論壇上，中國(guó)工程院院士陳立泉發(fā)表了主題演講。下面是陳院士的發(fā)言：
陳立泉：大家好！我是中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉，我代表我的同事李泓、胡勇勝和衛(wèi)藍(lán)新能源的俞會(huì)根和天目先導(dǎo)的羅飛跟大家一起交流。我今天交流的題目是“新一代電池，引領(lǐng)電動(dòng)中國(guó)”。
目前的電池是什么呢？目前的電池就是鋰離子電池，大家都很熟悉的石墨負(fù)極，然后磷酸鐵鋰或者三元或者鈷酸鋰做正極，電解質(zhì)是可燃的液體電解質(zhì)，容易引起安全憂慮，另外它的能量密度到了300瓦時(shí)/公斤，已經(jīng)到了液態(tài)鋰離子電池的一個(gè)極限。我們下一步或者新一代電池就是要發(fā)展固態(tài)電池或者說(shuō)我們逐漸要過(guò)渡到全固態(tài)鋰電池。
固態(tài)鋰電池的負(fù)極材料可以是納米硅和石墨的復(fù)合負(fù)極，正極可以是高電壓錳酸鋰、也可以是富鋰錳基材料或者說(shuō)是不含鋰的正極材料，電解質(zhì)是固體電解質(zhì)，它的能量密度可以300—450瓦時(shí)/公斤。再下一代就是遠(yuǎn)期的，鋰硫電池或者鋰空氣電池。與此同時(shí)，我們現(xiàn)在應(yīng)該要發(fā)展鈉離子電池，鈉離子電池跟鋰離子電池基本上差不多，工藝技術(shù)各方面都差不多，它的負(fù)極也是碳，我們現(xiàn)在是用無(wú)煙煤，正極可以不含貴重金屬，像鈷、鎳都不含，可以只是含銅、鐵和錳這些比較便宜的元素。電解質(zhì)目前是液態(tài)電解質(zhì)，下一步也要發(fā)展固態(tài)鈉離子電池。目前鈉離子電池能量密度可以到150瓦時(shí)/公斤，做得好的話可以到200瓦時(shí)/公斤。
我們目前能源的形式必須介紹一下。目前我們中國(guó)的能源情況是富煤、少氣、缺油，就是石油我們是很缺的。2018年我們的能源狀況，是煤、石油、天然氣加起來(lái)占整個(gè)能源的85.6%，水、風(fēng)、光、核能加起來(lái)是占18.3%，應(yīng)該說(shuō)化石能源是為主的。我們2018年自產(chǎn)的原油是1.9億噸，國(guó)外進(jìn)口的原油是4.6億噸，對(duì)外依存度已經(jīng)是71%，原來(lái)我們建議對(duì)外依存度不要超過(guò)50%，實(shí)際上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了50%，汽車的保有量是2.4億輛，如果按一輛汽車平均2噸油算的話，那么我們進(jìn)口的原油4.6億噸正好是夠我們的汽車用，所以我們一定要電動(dòng)中國(guó)，要發(fā)展電動(dòng)汽車，這樣來(lái)取代進(jìn)口油，這就是為什么我們要交通電氣化。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化，智能化的設(shè)備一定也需要電池。
另外，習(xí)主席倡導(dǎo)構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，以清潔和綠色方式滿足全球的電力需求。同時(shí)最近又指出，2030年前我們的碳排放要達(dá)到峰值，要達(dá)到這一點(diǎn)的話，非化石能源占比將達(dá)到25%，那么風(fēng)電和太陽(yáng)能的裝機(jī)總量將達(dá)到12億千瓦以上。2020年5億千瓦，所以未來(lái)10年每年要增加0.7億千瓦，所以任務(wù)是相當(dāng)艱巨的，2060年我們要實(shí)現(xiàn)碳中和，這就是習(xí)主席最近發(fā)布的我們中國(guó)的一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
這樣我們一定要特別強(qiáng)調(diào)能源互聯(lián)網(wǎng)，能源互聯(lián)網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)能源的低碳化。那么要發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)一定需要儲(chǔ)能，儲(chǔ)能現(xiàn)在一個(gè)是鋰離子電池、一個(gè)是鈉離子電池，所以這就是新一代電池的重要性。
下面就介紹一下交通電氣化，包括幾個(gè)方面：
第一個(gè)，電動(dòng)汽車，這個(gè)是大家很熟悉的，我們從2000年開(kāi)始就有電動(dòng)汽車的計(jì)劃。
第二個(gè)，我們目前一定要關(guān)注電動(dòng)船舶。一艘萬(wàn)箱船的硫排放量相當(dāng)于15萬(wàn)輛重型卡車，對(duì)環(huán)境污染是相當(dāng)厲害的，所以我們一定要發(fā)展電動(dòng)船舶，特別是遠(yuǎn)洋船舶，我們可以發(fā)展無(wú)人的電動(dòng)輪船。
第三個(gè)，電動(dòng)飛機(jī)，最近中國(guó)從2017年開(kāi)始連續(xù)三年在中國(guó)開(kāi)了電動(dòng)航空的會(huì)，所以電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展是未來(lái)我們發(fā)展的一個(gè)方向。
因?yàn)檫@三樣?xùn)|西：電動(dòng)汽車、電動(dòng)船舶和電動(dòng)飛機(jī)，對(duì)改善環(huán)境都是相當(dāng)重要的。
能源互聯(lián)網(wǎng)有五大特點(diǎn)：第一個(gè)，所用的能源都是可再生能源。第二個(gè)，是分布式的、分散的。第三個(gè)，是互聯(lián)的，如果說(shuō)要構(gòu)建網(wǎng)，一定要把它連起來(lái)。第四個(gè)，這個(gè)網(wǎng)連起來(lái)以后是開(kāi)放性的，隨時(shí)可以把多余的能源賣出去，也可以從網(wǎng)上去買所需要的能源，是開(kāi)放性的。第五個(gè)，這個(gè)是智能化的，都是由智能控制的。這五大特點(diǎn)一定都需要電池，一個(gè)是鋰離子電池，一個(gè)是鈉離子電池。
現(xiàn)在的鋰離子電池，剛才我已經(jīng)介紹了，是液體電解質(zhì)，負(fù)極是石墨，正極是含過(guò)渡金屬的氧化物這類材料。
它的能量密度，極限是300瓦時(shí)/公斤或者稍稍再高一點(diǎn)，安全事故時(shí)有發(fā)生，著火或者爆炸，所以我們要發(fā)展固態(tài)鋰電池或者全固態(tài)鋰電池，用金屬鋰做負(fù)極。目前這一階段可以不用金屬鋰，可以用納米硅或者硅碳復(fù)合材料做負(fù)極。正極可以利用現(xiàn)有的比較便宜的含過(guò)渡金屬的正極材料，同時(shí)也可以將來(lái)發(fā)展不含鋰的正極材料，中間的電解質(zhì)是固態(tài)的，可以是氧化物、也可以是硫化物、也可以是聚合物，我們目前是原位固態(tài)化，下面我要講什么叫原位固態(tài)化，能量密度可以高達(dá)350—500瓦時(shí)/公斤，不燃燒，不爆炸，安全性比較高。
物理所實(shí)際上很早就開(kāi)始研究固態(tài)電池，從1976年我們就開(kāi)始研究固體電解質(zhì)材料。以后我們對(duì)固體電解質(zhì)一直沒(méi)有停止過(guò)研究，最近我們從計(jì)算上發(fā)現(xiàn)一些新的材料，同時(shí)我們也對(duì)固態(tài)電池的安全性做了很多工作，發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池安全性是很好的。我們2016年成立了衛(wèi)藍(lán)新能源公司，2018年固態(tài)電池能量密度到了300瓦時(shí)/公斤，而且我們進(jìn)行了樣車的試驗(yàn)，2019年在溧陽(yáng)成立了生產(chǎn)基地，現(xiàn)在固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)供給無(wú)人機(jī)使用，電池安全性都通過(guò)了測(cè)試。它的原材料包括硅碳負(fù)極都在批量的生產(chǎn)，同時(shí)固態(tài)電池所需要的涂固態(tài)電解質(zhì)材料的隔膜也可以批量生產(chǎn)。
這里介紹一下固態(tài)電池核心材料的情況，現(xiàn)在預(yù)鋰化需要的鋰箔和涂固體電解質(zhì)粉料的隔膜都已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了。同時(shí)，納米固態(tài)電解質(zhì)對(duì)正極材料可以進(jìn)行包覆，特別是高鎳正極材料，如果不進(jìn)行包覆的話，它的安全性是沒(méi)有保證的。我們做包覆以后它的容量是相當(dāng)高的，容量可以到210mAh/g，在高溫下容量更高一些。
納米硅，剛才我說(shuō)了，我們目前用納米硅和石墨做復(fù)合的負(fù)極，現(xiàn)在鋰離子電池實(shí)際上也用納米硅，我們是1996年開(kāi)始研究納米硅，1997年我們就在國(guó)際上申請(qǐng)了第一個(gè)納米硅做負(fù)極的專利，從1997年開(kāi)始，我們經(jīng)過(guò)了大概17年的時(shí)間，從幾百毫克一直到幾百公斤，現(xiàn)在我們成立了天目先導(dǎo)公司，專門(mén)生產(chǎn)納米硅材料，可以批量的來(lái)供應(yīng)國(guó)內(nèi)外的需求，這是納米硅發(fā)展的情況。
同時(shí)，我們對(duì)納米硅也要進(jìn)行預(yù)鋰化，這里顯示我們電池預(yù)鋰化以后容量還是相當(dāng)高的，到了每克1000多毫安時(shí)。顯示的18650電池的循環(huán)性是相當(dāng)好的，這是使用的情況。
下面特別介紹一下原位固態(tài)化。這個(gè)圖的上邊一部分就是銅箔的集流體，黑的是陽(yáng)極側(cè)，負(fù)極材料納米硅或者硅碳負(fù)極，下面這個(gè)綠顏色就是隔膜上的LATP（磷酸鈦鋰鋁）涂層，它是電解質(zhì)材料，使液體電解質(zhì)原位固態(tài)化。也可以看得出來(lái)，通過(guò)充電、放電幾次以后，在陽(yáng)極材料的表面，就是這個(gè)黑顏色的顆粒表面就包上一層SEI膜。在隔膜的表面，因?yàn)橥苛艘粚覮ATP，也變成了有SEI膜的固態(tài)電解質(zhì)，正極、負(fù)極跟電解質(zhì)完全是成為一體了，這就是原位固態(tài)化。
這張圖顯示的，分別包氧化鋁和LATP固體電解質(zhì)材料的隔膜循環(huán)穩(wěn)定性，可以看得出來(lái)，包氧化鋁的隔膜循環(huán)性不好，而包LATP固體電解質(zhì)的隔膜循環(huán)性相當(dāng)好。這就是目前我們固態(tài)電池的一些工藝比較詳細(xì)的情況。
這是衛(wèi)藍(lán)新能源一些新產(chǎn)品，新的產(chǎn)品里頭我特別強(qiáng)調(diào)一下，這個(gè)電池能量密度可以到1540瓦時(shí)/升，這是目前全世界最高的體積能量密度，它的重量能量密度可以到600瓦時(shí)/公斤，它的電池容量是25安時(shí)。
這張圖介紹了300瓦時(shí)/公斤的高比能的混合固液動(dòng)力電池情況，容量是58安時(shí)，它的能量密度是300瓦時(shí)/公斤。圖右上面是液態(tài)電解質(zhì)電池，穿刺會(huì)起火、要爆炸，而固體電池穿刺沒(méi)問(wèn)題。這顯示的是它的溫度，基本上沒(méi)有什么大的變化。這是穿刺電壓的情況，可以看得出來(lái)，那條紅線，只要釘子一扎進(jìn)去它電壓往下降，但是過(guò)一會(huì)兒電壓可以恢復(fù)了。這是58Ah電池的循環(huán)性，1400周容量保持率還有80%。另外，它低溫性能也相當(dāng)好，紅線是低溫性能，負(fù)20度的容量保持率可以78%。倍率特性也是相當(dāng)不錯(cuò)的，0.2C一直到3C，基本上容量變化很小。
這是400瓦時(shí)/公斤高比能的固態(tài)電池，它的電池容量是11安時(shí)，中間是電池的情況，上面右上角是它的0.3C循環(huán)性的情況。可以看出來(lái)它的安全性也還是不錯(cuò)的，釘子扎進(jìn)去以后它的電壓也往下降，釘子還在里頭電壓逐漸往上升。針刺的時(shí)候溫度上升很小，差不多也就是兩三度溫度的上升（黑線和紅線是正負(fù)極兩邊的溫度情況），所以400瓦時(shí)/公斤的高能固態(tài)電池同樣安全性還是不錯(cuò)的。
這個(gè)顯示的是物理所創(chuàng)辦的衛(wèi)藍(lán)新能源公司的一個(gè)子公司衛(wèi)國(guó)創(chuàng)芯科技公司，在去年的一次評(píng)比上它得了四項(xiàng)第一，這里顯示的是高能量密度的一等獎(jiǎng)電池的情況：0.2C，能量密度達(dá)610瓦時(shí)/公斤；2C，能量密度可以到500瓦時(shí)/公斤，所以應(yīng)該說(shuō)能量密度是相當(dāng)高的。
下面我就介紹一下鈉離子電池，為什么介紹鈉離子電池呢？因?yàn)殇囯x子電池現(xiàn)在全世界都在做，如果說(shuō)全世界的車都用鋰離子電池來(lái)開(kāi)，全世界的電能都用鋰離子電池儲(chǔ)存的話，根本不夠，所以我們一定要考慮新的電池，鈉離子電池是首選，鋰的含量是相當(dāng)少的，只有0.0065%，鈉的含量2.75%，應(yīng)該說(shuō)鈉的含量相當(dāng)多。這張圖顯示的，我們以磷酸鐵鋰電池（鋰離子電池中最便宜的）作為一個(gè)對(duì)比，它每瓦時(shí)的原材料成本是3毛4，鈉離子電池的原材料成本每瓦時(shí)是2毛6，比較便宜。另外，我們最近可以看得出來(lái)，2021年碳酸鋰的價(jià)格還在上漲，1月4日是54000元/噸，比去年上漲了12000元/噸，有的公司甚至報(bào)63000元/噸，估計(jì)以后碳酸鋰的價(jià)格還會(huì)漲，這是我們一定要發(fā)展鈉離子電池很重要的原因。
我們從2010年開(kāi)始就開(kāi)始鈉離子電池的研究，經(jīng)過(guò)將近10年的時(shí)間，從原材料開(kāi)始研究，正極材料發(fā)現(xiàn)了四五種，負(fù)極材料也發(fā)現(xiàn)了四五種，最后我們選定了右邊這個(gè)正極材料，右上角是含銅、鐵、錳便宜金屬的正極材料，右下角是無(wú)煙煤做的碳材料，這樣就保證了材料的成本相當(dāng)?shù)汀?/span>
下面介紹一下6安時(shí)軟包裝鈉離子電池的能量密度達(dá)到了145瓦時(shí)/公斤，已經(jīng)是相當(dāng)高了?？梢钥斐洌?C充/5C放是1C充/1C放容量的90%， 10C充/10放容量是1C充/1C放的70%，應(yīng)該說(shuō)快充性能比鋰離子電池還好。它的循環(huán)性，1C充/1C放的循環(huán)性可以大于6000次，3C充/3C放可以到3000次，所以它的循環(huán)性還是相當(dāng)不錯(cuò)的。
另外，它的高低溫性能都是不錯(cuò)的，左上角就是60度把它充滿電，然后讓它在高溫60度存放7天，它的容量有所下降，在常溫下，很快它又恢復(fù)。左下角那個(gè)圖是充滿電以后在85度存放7天,它的容量就降低了，放在常溫下以后容量也還是恢復(fù)了。右上角是80度的循環(huán)性，一般鋰離子電池80度循環(huán)性就相當(dāng)差了，但鈉離子電池在80度的循環(huán)性還是相當(dāng)好，將近1000次容量保持78%。
另外看低溫性能，圖中藍(lán)顏色的曲線顯示出鈉離子電池低溫性能，它在負(fù)40度還可以充放電。黑顏色是磷酸鐵鋰電池的放電曲線，可以看得出來(lái)，磷酸鐵鋰在負(fù)30度的時(shí)候它的容量就已經(jīng)相當(dāng)?shù)土?，只由原?lái)的40%，所以鈉離子電池的低溫性能、高溫性能都很好。中科海鈉公司是物理所的技術(shù)成立的公司，這里是各類鈉離子電池的情況，包括軟包裝的、鋁殼的和圓柱形的情況。
科學(xué)院物理所從2010年開(kāi)始鈉離子電池研究，上面圖是材料的研究，下面圖是電池的研究，大概2015年研制出第一個(gè)軟包裝的電池。這是電動(dòng)自行車。這是2017年我們演示了電動(dòng)汽車，這個(gè)是2019年我們演示的第一個(gè)儲(chǔ)能電站，這是電動(dòng)觀光車。這就是整個(gè)鈉離子電池的發(fā)展情況。
我就介紹這么多，最后用兩句話來(lái)結(jié)束我的交流。第一句是“固態(tài)電池大干快上，引領(lǐng)電動(dòng)中國(guó)”。第二句是“鈉離子電池并駕齊驅(qū)，助推能源互聯(lián)。”
謝謝大家！
陳立泉寄語(yǔ)：
陳立泉：大家好！我是中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉，很高興有機(jī)會(huì)參加這次會(huì)議，現(xiàn)在我們國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展形勢(shì)很好，現(xiàn)在已經(jīng)是處于世界領(lǐng)跑狀態(tài)，我們應(yīng)該在新的一年里、在新的五年計(jì)劃開(kāi)始的時(shí)候要進(jìn)一步堅(jiān)持我們以前發(fā)展純電動(dòng)汽車的策略，只有純電動(dòng)汽車才能夠解決我們石油稀缺的問(wèn)題。同時(shí)，為了解決電動(dòng)汽車的安全性和解決大家對(duì)續(xù)航里程短這種憂慮，我們一定要發(fā)展固態(tài)鋰電池，這樣的話可以解決安全問(wèn)題，不會(huì)爆炸、燃燒。同時(shí)，固態(tài)鋰電池續(xù)航里程可以更長(zhǎng)。
第三個(gè)，我們應(yīng)該采取換電的模式。采取換電模式有一個(gè)好處就是，汽車用戶可以根據(jù)他自己開(kāi)車距離的長(zhǎng)短來(lái)確定究竟電動(dòng)汽車裝多少電池，這樣的話成本各方面都可以自己控制，如果開(kāi)遠(yuǎn)途的話電池的數(shù)量就可以增加，所以這樣對(duì)用戶、對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)是很有幫助的。
祝第七屆中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇圓滿成功。
信息來(lái)源：深水科技咨詢
