2021年1月15-17日，第七屆中國電動汽車百人會論壇在釣魚臺國賓館以線上方式舉辦召開，本屆論壇以“新發(fā)展格局與汽車產(chǎn)業(yè)變革”為主題，聚焦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢動態(tài)、熱點痛點等問題。在1月17日上午進行的未來電池論壇上，中國科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰發(fā)表了主題演講。
以下為演講實錄：
尊敬的陳清泰理事長、線上的陳立泉院士、各位嘉賓早上好，非常榮幸有機會到這個論壇做一個匯報，新的十年又開始了，電動車走進了新時代。剛才在線上陳立泉院士已經(jīng)全面的介紹了鋰離子電池向固液態(tài)方向的發(fā)展，鈉離子電池將會成為未來資源面臨挑戰(zhàn)時，提供儲能應(yīng)用的一個重要的電池。我今天主要是來匯報一下在新的十年，鋰離子電池和全固態(tài)電池都會持續(xù)的進步。
我們經(jīng)常講你開的車是用什么樣的電池，是三元電池還是磷酸鐵鋰電池，這個里面指的什么？指的都是正極材料。我們可以看過去是鋰離子電池支撐了新能源汽車的發(fā)展。昨天歐陽院士也講了鋰離子電池是一個偉大的發(fā)明，2019年的諾貝爾獎給了三位老先生，不僅僅是手機應(yīng)用，電動車這一塊更是一代材料一代電池支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。錳酸鋰推動了聆風(fēng)電動車銷售50萬臺以上，是作為第一代動力電池的正極材料。第一代動力電池是因為比能量低的原因，逐漸被三元和鐵鋰取代?，F(xiàn)在還有生命力，在什么地方呢？現(xiàn)在用在輕型車輛上，電動兩輪車、電動三輪車做的很紅火。優(yōu)點是什么？優(yōu)點是非常的便宜、安全，性能的話，環(huán)境的適應(yīng)性還是不錯的，低溫性能，剛才陳院士也講到了鈉離子電池低溫性能也不錯。
接著就是磷酸鐵鋰，磷酸鐵鋰為中國的電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要的貢獻，接著也會為儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做重要的貢獻，全球我不說百分之一百，至少是百分之九十七八的磷酸鐵鋰和它的電池是在中國生產(chǎn)的。優(yōu)點是非常明顯的，首先是它的長壽命，現(xiàn)在高的都已經(jīng)能做到萬次的壽命了，還有高安全，所以我們的公交車優(yōu)先提倡用磷酸鐵鋰電池，當(dāng)然它的比能量是會低一些，因為它的電壓比較低，材料的密度比較低。但是進步也很快，過去十年前，咱們想磷酸鐵鋰什么時候能夠做到150瓦時/公斤就不得了，到了2020年做到了200瓦時/公斤。
磷酸鐵鋰的汽車能不能跑600公里，比亞迪給出了很好的回答，通過優(yōu)化電池和電池組到電池PACK的設(shè)計，能夠跑到600公里，到了2020年的時候，我國80 GWh多一點的動力電池里面，磷酸鐵鋰超過了30GWh，現(xiàn)在一些名車也開始考慮磷酸鐵鋰。三元材料的進步也非常之明顯，頭部企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)、銷售300瓦時/公斤的三元電池，確實是讓我們的車輛一次充電里程到了700公里以上，就是高端乘用車。當(dāng)然我們也分析它的優(yōu)點和缺點，優(yōu)點是什么？那當(dāng)然是比能量高，一次充電里程長。缺點是什么？好像安全性不太好，但是我要告訴大家進步的非?？?，而且里面的鎳的含量在不斷的提升。國際上已經(jīng)到了0.9，裝車的電池也很好，新的特斯拉將會用上這樣的電池。
所以說一代材料一代電池，持續(xù)的往前走，我想鋰離子電池會沿著這條道繼續(xù)往前走。
大家都在想，新的十年我們會有什么進步呢？過去的十年我們知道，錳酸鋰為磷酸鐵鋰和三元材料的電池所取代，電動車獲得大發(fā)展。
新的十年有沒有新的材料？我們可以看到，現(xiàn)在性價比最好的動力電池是什么？是磷酸鐵鋰，這就是為什么Model3等等這些都有用磷酸鐵鋰，因為目前的磷酸鐵鋰性價比最優(yōu)，每個瓦時的單體電池已經(jīng)到了五毛錢以下的成本，還有沒有降的空間，擴大規(guī)模是可以降的，但是我們可以看到動力電池的材料還在一代一代地發(fā)展。三元在往哪一塊方向發(fā)展，往減鈷加鎳的方向發(fā)展，磷酸鐵鋰后面還有鎳錳酸鋰，鎳錳酸鋰它的優(yōu)點就是電壓高，相對于我們今天的金屬鋰來講是4.7V，拿石墨做負極，做電池做出4.5V電池，磷酸鐵鋰是3.2V，三元材料是3.6V，可以看到分別高40%和20%多。電壓的提高，帶來的好處是什么？帶來的是比能量的提升。同樣尺寸的一塊電池，你不用更換它的負極，也不用更換銅箔、鋁箔，也不用更換電解質(zhì)隔膜，把它的磷酸鐵鋰換成鎳錳酸鋰，電壓就升到4.5V，基本上容量可以保持不變，因為鎳錳酸鋰的比容量是130多mAh/g，磷酸鐵鋰是160左右，但是它的密度高。所以同樣的尺寸，容量基本上不變，電壓提升40%，也就是說它的能量可以提升40%。電動汽車做到了今天的話，我們更關(guān)注的是電池的體積能量密度，而不再是比能量的。
當(dāng)然這個材料有很大的挑戰(zhàn)，因為大家都在做三元材料，突然你講做二元材料，這個二元材料又這么高的電壓，到底穩(wěn)定不穩(wěn)定，這個就是過去我們十七八年努力的一個結(jié)果。我們做的一個事情就是讓這個材料變的穩(wěn)定起來，剛才陳老師也介紹過，物理所的人就是習(xí)慣于長時間做一件事情，負極做了20幾年，固體電解質(zhì)做了30幾年。今天正極材料，每一代正極材料我們也做了很多年，這里面解決了什么問題？本質(zhì)是什么？材料的穩(wěn)定本質(zhì)是什么？對于磷酸鐵鋰來講，它能夠到一萬次的壽命是因為它是一種磷酸鹽的材料，它是橄欖石的結(jié)構(gòu)，材料本身上結(jié)構(gòu)非常之穩(wěn)定，所以電池也很安全。那么層狀材料之所以不穩(wěn)定，是因為層狀材料在循環(huán)的過程中，它的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是什么？是尖晶石結(jié)構(gòu)，當(dāng)年日產(chǎn)第一代的電池采用的是錳酸鋰的尖晶石結(jié)構(gòu)，當(dāng)然很穩(wěn)定，但是可惜比能量比較低。把其中的1/4的錳給它換成鎳以后，那么帶來的效果是什么呢？帶來的效果就是電壓升到了4.5伏。接著我們就會發(fā)現(xiàn)這個材料的內(nèi)部非常之穩(wěn)定，問題就出在哪兒？問題出在表面上，表面得到改進以后，我們可以和誰比？我們可以和三元材料來比。我們可以看到，在高溫下循環(huán)，或者在室溫下循環(huán)，即使在55度的高溫時候，它的循環(huán)性能仍然優(yōu)于我們在常壓下的這一種三元材料。這個材料最早發(fā)明也是在1990年代，也是20幾年前了，那個時候是日本和加拿大科學(xué)家同時在實驗室里面發(fā)現(xiàn)鎳取代部分的錳可以提升電壓。
但是大家對面臨的挑戰(zhàn)都知道，到了這么高的電壓的電池沒法工作，當(dāng)時只能做半電池。今天材料的水平確實提高了，我們可以看到軟包的電池沒問題，你看把它做出來。那么軟包的電池循環(huán)以后它的庫倫效率非常之高，600周跑下來有97%的容量保持率，近期數(shù)據(jù)是2000周以上的時候是85%以上的保持率。這里面很重要的一點是什么？是材料穩(wěn)定性。高壓的電池很重要的一點就是氣脹，大家不要小看把圓柱變成軟包，說句實話，我們的NCA為什么現(xiàn)在還是傾向于做圓柱呢，里面很大的問題就是氣脹的問題，同樣是一些新材料，首先都會在圓柱里面使用，你能做軟包，你能夠解決氣脹問題，就證明你的材料到了相應(yīng)水平。所以在新的十年，磷酸鐵鋰有了升級版，它的能量密度會提升，在不改變其他材料，不改變制造工藝的基礎(chǔ)上，同樣的工廠你可以生產(chǎn)能量密度提高40%的鎳錳酸鋰的電池。
三元電池有沒有進步？三元電池也會有進步。三元電池重點也是能量密度的提升。過去我們老講，電動汽車要提升里程，重點提升瓦時/公斤，瓦時/公斤實際上是比能量，過去很多年大家把說混了，說能量密度就說瓦時/公斤。實際上能量密度是體積密度，是瓦時/升。電動車輛發(fā)展到今天首先對于乘用車我想也是對商用車來講，更重要的不是減重，重要的是縮小電池的體積。我們可以看到，第一代特斯拉，包括我們今天的磷酸鐵鋰電池，差不多還是在300瓦時/升，到了這一代代就到了600瓦時/升，同樣的空間里電量儲存是大幅度增加了?，F(xiàn)在重點要做的工作就是提升瓦時/升，在未來十年之內(nèi)動力電池會到1000瓦時/升，比第一代特斯拉高兩倍，比今天很多車輛高一倍，所以說增加一次充電里程也不是問題。正極材料當(dāng)然會發(fā)生很多變化，前些年主要研究富鋰材料，比容量很高，到280毫安時/克，但是富鋰材料有個問題，它材料的密度比較低。做出來的電池體積太大，鋰硫電池更是這個樣子。所以說為了減小體積，是會往一個方向走的，往一個準二元材料。這里面的一個關(guān)鍵就是什么？要提升密度，降成本，核心點是什么？加鎳減鈷，同時穩(wěn)定層狀。所以全球都在喊無鈷正極，其實無鈷正極，我理解兩層意思，一種是磷酸鐵鋰、鎳錳酸鋰這一類完全無鈷的材料，一種是鈷低于1%，下一代的層狀材料，現(xiàn)在已經(jīng)低于10%了。新的制造技術(shù)也會推進發(fā)展，今天我們要在材料進步的基礎(chǔ)之上，改進電池的這種設(shè)計?？梢灶A(yù)期在未來的一些年，鋰離子電池固液態(tài)混合會有發(fā)展，做液態(tài)電池的會學(xué)習(xí)固態(tài)電池的知識，做固態(tài)電池的會學(xué)習(xí)液態(tài)電池的知識。
這里面一個關(guān)鍵點就是優(yōu)化電極里面的結(jié)構(gòu)，甚至說你可以把一部分的高電導(dǎo)的、高遷移數(shù)的固體電解質(zhì)引到液體的電極里面去，做成厚的電極、多層電極，我相信在制造這一塊還有機會挖出百分之二三十的潛力。
至于固態(tài)電池，轉(zhuǎn)眼30多年過去了，今天我是覺得固態(tài)電池到了一個很好的時候，我為什么說固態(tài)電池未來的十年是破壁的十年，是因為全固態(tài)電池是我們最理想的模式。那么全固態(tài)電池跟固液態(tài)電池相比，實際上是革命性的東西。第一個階段，鋰離子電池固態(tài)、液態(tài)互相學(xué)習(xí)，固液態(tài)會得到很好的發(fā)展。第二個階段，全固態(tài)電池600-800瓦時/公斤，有更好的安全性，這個必然是革命性的。
我大概會想到幾點，我們會想它的電解質(zhì)應(yīng)該是什么，它的電解質(zhì)是液體嗎？不是，它的電解質(zhì)是polymer嗎？可能不是。是因為液體和polymer從導(dǎo)電機理上看，還是我們今天的電解液的機理。很高興經(jīng)過全球科學(xué)家的努力，今天高導(dǎo)電的硫化物的鋰離子導(dǎo)體全固態(tài)的。它的低溫電導(dǎo)率、室溫電導(dǎo)率，都是今天電解液的5倍以上，尤其鋰離子的導(dǎo)電能力比今天的電解質(zhì)高一個數(shù)量級，QuantumScape和豐田汽車等都在大力開發(fā)。今天展示的電池大家可以看到薄片電池，為什么薄片電池？是因為今天的電極技術(shù)還沒解決這個問題，液態(tài)電解液可以滲透進去，有很大的反應(yīng)面積。固態(tài)電池的反應(yīng)界面的問題遠沒有解決，也就是說我們固態(tài)電池現(xiàn)在反應(yīng)能力大概只發(fā)揮了千分之幾，導(dǎo)致電解質(zhì)的離子導(dǎo)電能力比液態(tài)高十倍，但是電池性能沒有體現(xiàn)出來，所以這個方面電池結(jié)構(gòu)將會在未來十年發(fā)生重要的變化。
第二個，材料會發(fā)生變化，我覺得比較有意思的一個事情就是，最高比能量的液態(tài)的鋰硫電池，當(dāng)然鋰空氣咱們除外，那是開放型的這個結(jié)構(gòu)，固態(tài)化咱們可以接著再討論，在未來十年我預(yù)計它們也會走向固態(tài)化。在這個基礎(chǔ)之上，我們會擺脫對一些過渡金屬的依賴。所以接著制造的方法會改變，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生創(chuàng)新。還有一點的話，就是固態(tài)電池不僅僅是指鋰離子電池，固態(tài)電池會走向金屬鋰電池，也不排除金屬鈉電池，也不排除空氣電池，所以十年破壁會有很好的機會。
以上就是我匯報的內(nèi)容，我們可以看到，到了2030年時候，不僅僅是電動車早早的就已經(jīng)戰(zhàn)勝了燃油車，我指的是經(jīng)濟性上面。500瓦時/公斤以上的固態(tài)電池必然會走向適用，未來十年的電池界，是鋰離子電池和金屬電極的固態(tài)電池比翼齊飛的時代。我想?yún)R報到此，請大家批評指正。
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（注：本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱，僅作為參考資料，請勿轉(zhuǎn)載?。?/p>