以下為課程發(fā)言：

在分析動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展路線之前，首先討論一下電池比能量對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展的影響。    

電池比能量是決定車?yán)m(xù)航里程的重要因素，因此決定了駕駛的便利性，對(duì)于電動(dòng)汽車的市場(chǎng)接受度具有重要影響。當(dāng)然像特斯拉那樣，通過增加電池裝載量也可以實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程的大幅度提高，但這種做法我本人并不贊同。這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算：對(duì)于能量密度只有120瓦時(shí)/公斤的電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果我們將車的續(xù)航里程設(shè)計(jì)為150公里的話，電池總重只有100多公斤，電池成本按照目前價(jià)格也就2萬(wàn)多元；但是如果我們非要將車?yán)m(xù)航里程設(shè)計(jì)為300公里，整個(gè)電池系統(tǒng)的重量就變成了340公斤。對(duì)于一個(gè)最經(jīng)濟(jì)性的轎車來(lái)說(shuō)，800公里的自重對(duì)300多公斤的電池，我想這個(gè)電池重量還是過重了。再來(lái)看看能耗，由于大多數(shù)時(shí)候人們并不需要用到這么多電池，這就是為什么特斯拉在新加坡不被人們接受并遭到罰款的原因，因?yàn)檫@種車并不環(huán)保，增加能耗也是增加了排放。此外，過多電池還會(huì)造成整車成本的翻倍。假設(shè)按照我們現(xiàn)在的規(guī)劃，2020年電池系統(tǒng)能夠達(dá)到200瓦時(shí)/公斤，單體達(dá)到300瓦時(shí)/公斤以上，那么將車?yán)m(xù)航里程設(shè)計(jì)為300公里就是很正常的一個(gè)配置。但是如果說(shuō)基于200瓦時(shí)/公斤電池包非要將車設(shè)計(jì)到500公里，那么能耗也會(huì)增加17%左右，整車電池成本也會(huì)成番的增加。

因此，不考慮電池的能量密度，盲目的通過增加電池重量來(lái)增大續(xù)航里程，會(huì)導(dǎo)致能耗的增加，載人空間和可載重量的減少，整車成本的大幅度增加，實(shí)際上是不利于電動(dòng)汽車發(fā)展的。動(dòng)力電池的總體發(fā)展方向，還是應(yīng)該在滿足安全性、壽命等指標(biāo)的情況下，大幅提高能量密度；其實(shí)能量密度的提高也會(huì)帶來(lái)成本的大幅度降低，因?yàn)閷?duì)于制造同一個(gè)大小的電池來(lái)說(shuō)，電池瓦時(shí)數(shù)高了，每瓦時(shí)的制造成本就會(huì)降低。

我這里給出了一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果單體的能量密度達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，續(xù)航里程設(shè)計(jì)到300Km比較合理，400就對(duì)應(yīng)400續(xù)航里程;如果哪一天電池單體做到500瓦時(shí)/公斤，我們?cè)O(shè)計(jì)續(xù)航里程500Km的車也就比較合理了。

如何實(shí)現(xiàn)電池比能量的提高呢？近期的目標(biāo)是高鎳三元正極、硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤；中期（2025年）目標(biāo)是基于富鋰錳基/高容量Si—C負(fù)極，實(shí)現(xiàn)單體400瓦時(shí)/公斤；遠(yuǎn)期是開發(fā)鋰硫、鋰空電池，實(shí)現(xiàn)單體比能量500瓦時(shí)/公斤。

這個(gè)路線可不可行？從目前的技術(shù)條件來(lái)看，除安全性還不太確定外，在2020年電池比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤是沒有任何技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，400瓦時(shí)/公斤電池要求正極容量達(dá)到250毫安時(shí)/克，負(fù)極容量達(dá)到800毫安時(shí)/克，這個(gè)要求也都有明確的材料體系相對(duì)應(yīng)，比如富鋰錳基可以達(dá)到250、280甚至300毫安時(shí)/克的容量，硅碳達(dá)到800也沒問題。所以，大家普遍認(rèn)為的近中期技術(shù)路線總體上是可行的。遠(yuǎn)期目標(biāo)中，理論上鋰硫、鋰空達(dá)到比能量指標(biāo)沒有任何問題，比如鋰硫的理論比能量為2600瓦時(shí)/公斤，鋰空氣在不考慮空氣質(zhì)量的情況下，理論比能量可以達(dá)到11000瓦時(shí)/公斤，與汽油接近。如果我們只實(shí)現(xiàn)理論能量密度的20%，也可以達(dá)到500-600Wh/kg，這就是為什么大家都將鋰硫、鋰空作為未來(lái)開發(fā)重點(diǎn)的原因。

這兩個(gè)體系到底可不可行呢？現(xiàn)在就車用動(dòng)力電池領(lǐng)域來(lái)分析一下：如鋰空氣，是采用金屬鋰作為負(fù)極、空氣中的氧作為正極的一種電池體系，當(dāng)然氧電極需要多孔碳作為反應(yīng)載體。通過這么多年的發(fā)展，應(yīng)該說(shuō)在催化劑的選擇、機(jī)理研究、電解液選擇、可充性等方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是無(wú)論怎么進(jìn)展，我覺得作為一個(gè)應(yīng)用產(chǎn)品，我們必須要面對(duì)以下幾個(gè)問題：第一，它是一個(gè)開放體系，這是和鋰離子電池不一樣的，鋰空要用空氣中的氧，而空氣中含有水，鋰會(huì)與水反應(yīng)，既要透氧又要防水，這是一個(gè)很難解決的問題。鋅空電池為什么沒有得到成功發(fā)展就是因?yàn)檫@個(gè)問題。90年代我們做了很多工作，包括開了一個(gè)小公司要將鋅空電池產(chǎn)業(yè)化，但最后夭折了。遇到最大的問題就是水的控制。鋅空電池采用堿液為電解液，如果像上海這幾天空氣這么高的濕度，堿液就吸水，電池會(huì)“湮死”；如果在新疆這種比較干旱的環(huán)境，堿液就失水，電池就“干死”。這個(gè)問題一直沒有很好的解決辦法，現(xiàn)在鋰空也遇到同樣的問題。第二個(gè)問題是氧的催化還原。氧的反應(yīng)速度是非常慢，要提高氧的反應(yīng)活性必須采用高效的催化劑，現(xiàn)在的催化劑都是貴金屬，因此，必須發(fā)展高效廉價(jià)的催化劑，而這一直是制約燃料電池發(fā)展的一個(gè)短板。第三個(gè)問題是金屬鋰負(fù)極的可充性。其實(shí)鋰二次電池早于鋰一次電池而出現(xiàn)，20年代60年代最先出現(xiàn)的不是鋰一次電池，而是鋰二次電池。大家知道世界上曾經(jīng)有一個(gè)著名的電池公司—加拿大Moli公司，為什么這個(gè)公司現(xiàn)在基本上不復(fù)存在？主要的原因就是它們?cè)谏鲜兰o(jì)80年代率先推出了鋰二次電池，由于鋰枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致電池爆炸，在市場(chǎng)上將用戶炸傷了，電池全部召回，從此一蹶不振，所以鋰的可充性一直是一個(gè)問題。到現(xiàn)在為止，國(guó)際上一直沒有很大的進(jìn)展，短時(shí)間想解決這個(gè)的問題，也是非常難的事情。另外一個(gè)問題是，它的放電產(chǎn)物是鋰氧化物，將固態(tài)的鋰氧化物再催化分解成氧和鋰，多難啊。我總結(jié)一下，鋰空電池聚集了多個(gè)電池體系所遇到的最難的問題，包括鋅空電池、燃料電池、鋰二次電池，此外還有一些自身特有的問題。因此，我認(rèn)為鋰空電池的實(shí)用化希望非常渺茫。

再看看鋰硫，它的負(fù)極采用金屬鋰、正極采用硫，硫的容量非常高，達(dá)到1600毫安時(shí)/克，這是大家為什么研究它的原因。但是硫電極放電的時(shí)候不是直接生成硫化鋰，而是逐步被還原，伴隨多硫化鋰中間產(chǎn)物的生成；多硫化鋰會(huì)溶解在電解液中，發(fā)生溶解流失。溶解的多硫化鋰一方面會(huì)擴(kuò)散到負(fù)極還原、再在正極氧化，產(chǎn)生穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致低庫(kù)倫效率和高自放電；另一方面，溶解的多硫化鋰在充電過程中還會(huì)在正極表面優(yōu)先沉積，導(dǎo)致電極因表面孔堵塞而失活，因此，電極循環(huán)性能很差?，F(xiàn)在我們學(xué)術(shù)上的方法，就是用多孔碳材料去阻擋、去吸附多硫離子，減少它的溶解流失。這種策略在學(xué)術(shù)上看似很有效，也有大量的文章報(bào)道，但在實(shí)際電池體系中作用非常有限。兩者的主要區(qū)別在于我們實(shí)驗(yàn)室的研究工作都是基于很小的扣式電池，電極很薄、硫負(fù)載量不高，總的硫量大約在幾個(gè)毫克級(jí)；而實(shí)際電池的硫含量較大（克級(jí)），且電極很厚、單位硫載量很高。我前幾年曾經(jīng)參與過鋰硫電池的863項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室能夠循環(huán)上1000次的硫/碳復(fù)合材料，在實(shí)際電池中僅能循環(huán)幾次，有時(shí)候甚至一次電都放不出來(lái)，為什么？我做了比較系統(tǒng)的分析，主要原因我列在這個(gè)表中。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室做的電極每平方厘米僅1-2個(gè)毫克，而實(shí)際電池要達(dá)到300瓦時(shí)/公斤的比能量，硫的單位面積載量必須達(dá)到5mg/cm2;如果達(dá)到400瓦時(shí)/公斤，硫電極的硫載量必須達(dá)到7-8mg/cm2，這時(shí)電極厚度非常大。對(duì)于一個(gè)多孔電極而言，其表面不管是在充電還是在放電過程中，表面的極化都是最大的。在充電過程中，溶解的多硫離子就會(huì)優(yōu)先在表面被氧化為單質(zhì)硫，電極越厚這種不均勻沉積就越嚴(yán)重，引起多孔電極表面孔的堵塞，導(dǎo)致電極很快失活。這是導(dǎo)致硫電極循環(huán)性能差的一個(gè)主要原因。

第二個(gè)問題是鋰負(fù)極的可充性，也是難以短時(shí)間解決的問題。鋰表面為什么會(huì)形成枝晶？我們知道電化學(xué)反應(yīng)必須包含幾個(gè)串聯(lián)的過程，第一個(gè)過程是反應(yīng)物從本體溶液向電極表面的傳輸，我們稱之為液相傳質(zhì)；第二個(gè)過程為反應(yīng)物在電極表面得到或失去電子，形成產(chǎn)物的過程，我們稱之為電化學(xué)反應(yīng)步驟。哪個(gè)速度慢，電極反應(yīng)就受哪個(gè)步驟控制。對(duì)于鋰電極來(lái)說(shuō)，它的電子交換這一步是非常快的，也就是我們專業(yè)術(shù)語(yǔ)所說(shuō)的交換電流密度非常大，，因此液相傳輸是其反應(yīng)控制步驟，也就是將鋰離子從溶液本體傳輸?shù)诫姌O表面這一步相對(duì)慢。這樣就帶來(lái)了一些問題，液相傳遞實(shí)際上是受對(duì)流影響的，只要有重力，就會(huì)存在對(duì)流，而電極表面每一點(diǎn)的對(duì)流速度并不相同，因此，每一點(diǎn)的反應(yīng)速度也就不同。哪個(gè)地方長(zhǎng)的快，鋰離子的傳輸距離就越短，鋰的沉積速度就越來(lái)越快，這就是鋰枝晶生長(zhǎng)的原因。當(dāng)然，正負(fù)極之間的距離不一樣，電流的分布也就不一樣，這也是導(dǎo)致鋰枝晶生長(zhǎng)的重要原因之一。顯然，這些因素在實(shí)際電池中是很難避免的，因此，枝晶生長(zhǎng)引起的鋰的可充性問題不能說(shuō)沒有辦法，而是目前還很難找到有效的方案。

第三個(gè)問題是鋰硫電池的體積能量密度比較低?？赡軆H與磷酸鐵鋰電池相當(dāng)，為什么呢？因?yàn)榱蚴墙^緣體，你讓它導(dǎo)電、讓它反應(yīng)、讓它分散，必須采用大量高比表面的碳，導(dǎo)致硫/碳復(fù)合材料的密度非常??；此外，硫的反應(yīng)是先溶解再沉積，所以電極上必須存在大量的液相傳輸通道，現(xiàn)在大部分鋰硫電池硫電極極片是不能壓的，涂的什么樣的就什么樣，孔隙率特別高，所以其體積能量密度非常低。對(duì)于車來(lái)說(shuō)，特別乘用車來(lái)說(shuō)，當(dāng)重量能量密度達(dá)到一定值后，體積能量密度就更為重要了，因?yàn)槌擞密嚊]有那么多地方裝電池。所以從這個(gè)意義來(lái)講，至少它在車用動(dòng)力領(lǐng)域，鋰硫電池是沒有什么希望的。

是不是未來(lái)電池就不可能再發(fā)展了？我認(rèn)為未來(lái)仍然是鋰離子電池，只不過是我們的正極要做大幅度革新的一種鋰離子電池。從我給出的這個(gè)計(jì)算表中我們可以看到，電池的能量密度要達(dá)到500瓦時(shí)/公斤，正極容量必須要達(dá)到350毫安時(shí)/克以上。有沒有這樣的材料呢？常規(guī)的過渡金屬氧化物正極，其理論比容量也就300毫安時(shí)/克。如果富鋰材料中，氧能部分參與電荷補(bǔ)償，它的容量就有可能得到提高，這個(gè)想法有沒有可行呢？這是我們8月份檢查的時(shí)候，北大的一個(gè)老師做出的成果，確實(shí)做到了，他通過這樣一個(gè)陰離子補(bǔ)償機(jī)制，就是氧參與部分的儲(chǔ)鋰，將富鋰正極的比容量提高到了400毫安時(shí)/克。如果這種材料真做穩(wěn)定了，對(duì)我們整個(gè)動(dòng)力電池技術(shù)將是一次革命性的變革。

對(duì)于這個(gè)材料而言，氧部分參與儲(chǔ)鋰肯定會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，我認(rèn)為采用固體電解質(zhì)來(lái)穩(wěn)定它的循環(huán)性能，可能是比較好的策略，所以我認(rèn)為從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，發(fā)展基于高容量富鋰正極和硅碳負(fù)極的固態(tài)電池比現(xiàn)在的鋰硫和鋰空更為靠譜。

根據(jù)上面的分析，我這里給出了不同于常規(guī)的動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展路線。我覺得在近中期常規(guī)技術(shù)路線沒什么爭(zhēng)議，但是從遠(yuǎn)期來(lái)看，革新型鋰離子電池應(yīng)為重點(diǎn)。

根據(jù)這樣一個(gè)技術(shù)路線，未來(lái)動(dòng)力電池的發(fā)展涉及到哪些關(guān)鍵材料呢？因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系我不可能把所有的材料都講，我只能說(shuō)講一些我認(rèn)為比較重點(diǎn)的。

第一個(gè)關(guān)鍵材料是硅碳復(fù)合負(fù)極。超過250瓦時(shí)/公斤，電池就要用到硅碳負(fù)極了，硅碳負(fù)極是未來(lái)動(dòng)力電池發(fā)展的關(guān)鍵材料。但是硅的問題在哪里呢？理論上，一個(gè)硅可以儲(chǔ)存4.4個(gè)鋰，但在鋰化過程中，它的體積膨脹非常大，達(dá)到360%。這么大的體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致材料顆粒的粉化、電極脫粉?，F(xiàn)在來(lái)看，通過將硅納米化和采用表面鍵合粘結(jié)劑可以比較好的解決這兩個(gè)問題。但體積膨脹還會(huì)引起另外一個(gè)頭疼的問題，那就是硅負(fù)極表面SEI膜的反復(fù)生長(zhǎng)。我們知道電位比較低的負(fù)極材料，其表面都存在SEI膜，因?yàn)槠鋸?qiáng)的還原性會(huì)導(dǎo)致電解液的還原分解。而SEI膜的作用就是避免負(fù)極與電解液的直接接觸，保證電池的正常工作。這么大的體積膨脹會(huì)導(dǎo)致SEI膜的破裂，因此每循環(huán)一周，負(fù)極表面SEI膜就要修復(fù)一次。而修復(fù)SEI膜需要消耗電流和鋰離子，導(dǎo)致電池中可循環(huán)鋰的不斷減少，直觀表現(xiàn)就是循環(huán)庫(kù)倫效率低、電池容量發(fā)生衰減。為什么循環(huán)效率低會(huì)影響我們電池的循環(huán)壽命呢？我們平時(shí)做負(fù)極研究的時(shí)候沒有這個(gè)問題，因?yàn)椴捎媒饘黉嚍閷?duì)電極，鋰大量過量，因此硅負(fù)極可以表現(xiàn)出很好的循環(huán)性能，但是將同樣的材料用到實(shí)際電池中時(shí)，往往發(fā)現(xiàn)10次都循環(huán)不了，為什么？因?yàn)樵谌姵刂校姵厝萘渴怯烧龢O提供的鋰來(lái)決定的，可循環(huán)的鋰越多，電池容量越大。如果負(fù)極循環(huán)效率低，每周都不可逆地消耗一點(diǎn)鋰，可循環(huán)的鋰就減少了。大家可以算算，99%的100次方是多少？我算過好像30%。也就是說(shuō)，每周負(fù)極消耗掉1%的鋰的話，100周后電池容量就僅剩下百分之二三十，所以這個(gè)問題是個(gè)很大的問題。

我這有一個(gè)表更詳細(xì)地闡述了這個(gè)問題。從表中我們可以看到，如果想讓電池有比較好的容量保持率，硅碳循環(huán)效率一定要保持99.9%以上，這個(gè)要求還是非常高的。

解決這個(gè)問題最有效的方法，就是建立穩(wěn)定的固/液界面。也就是不讓硅表面與電解液發(fā)生直接接觸，學(xué)術(shù)界提出了這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，我們稱之為蛋黃結(jié)構(gòu)：外面是碳層，里面是納米硅顆粒。在這樣的結(jié)構(gòu)中，硅反應(yīng)所需的鋰離子、電子都是通過碳層傳輸?shù)?，電解液不與硅顆粒直接接觸，從而保證材料有高的循環(huán)庫(kù)倫效率。從理論上講這個(gè)是可行的，但是我們?cè)趯?shí)際做的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)并不能達(dá)到理想的效果，為什么？硅納米粒子放在空空蕩蕩的碳?xì)だ锩妫芙佑|好嗎？我們知道電子是有隧道效應(yīng)的，還好一點(diǎn)，鋰離子那么大體積不能有隧道效應(yīng)，怎么跳過去？所以即使是接觸、即使是反應(yīng)，這個(gè)接觸面也太小了。所以學(xué)術(shù)上這個(gè)思路，原理上好像很可行，實(shí)際上效果并不好。

BTR這個(gè)方法更實(shí)際一些，BTR去年出口了差不多有1千噸的硅碳，給日本、韓國(guó)出口。他們的辦法很簡(jiǎn)單，把納米的硅跟石墨混合，混合以后讓它聚集，這樣納米Si就被微晶石墨簇聚在中間，再通過碳包覆形成電解液阻擋層。雖然這種結(jié)構(gòu)并不能完全阻擋電解液的滲透，但是還是能起到一定效果。當(dāng)然現(xiàn)在這種材料的硅含量還是比較低的，大約不到10%。如果再增加的話，我認(rèn)為復(fù)合材料效率可能就會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)楫吘共皇呛芎玫陌搀w系。

我們?cè)谶@方面也開展了一些工作，說(shuō)出來(lái)供大家參考。其實(shí)對(duì)于硅來(lái)說(shuō)，最主要的怎么樣隔絕它跟電解液的直接接觸。我們研究發(fā)現(xiàn)，將一些含氧聚合物，與納米混合后直接加熱分解，可以在Si表面原位形成硅的氧化物層和碳層。大家可以看看，這種材料循環(huán)過程中的庫(kù)倫效率可以達(dá)到99.6%；如果配上一定量的石墨，我想就有可能達(dá)到99.9%的應(yīng)用要求。

還有一種方式，就是將納米硅包埋到一種具有鋰離子傳導(dǎo)性的導(dǎo)電聚合物中。硅顆粒膨脹的時(shí)候一定會(huì)原位產(chǎn)生一個(gè)空間，之后聚合物就不會(huì)再發(fā)生膨脹，從而保證材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；而且聚合物的致密結(jié)構(gòu)保證了電解液不向中心的滲透，避免了電解液與硅的直接接觸。這種材料的循環(huán)效率也是非常高的，可以達(dá)到99.8%。因?yàn)橥鈱邮菍?dǎo)電聚合物，導(dǎo)電率非常高，因此材料的倍率性能也非常好，可以達(dá)到每克16安培的充放電電流。

我認(rèn)為硅基負(fù)極的理想結(jié)構(gòu)應(yīng)該是這樣：內(nèi)核為納米硅的聚集體，外殼是一層致密結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電包覆層。由于納米硅在聚集的時(shí)候不可能堆積得非常實(shí)，導(dǎo)致硅和硅之間存在間隙，因此預(yù)留出了體積膨脹空間，不會(huì)對(duì)外殼造成沖擊，整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也就得到了保證。

第二個(gè)關(guān)鍵材料是富鋰錳基正極。富鋰錳基具有250毫安時(shí)/克以上的可實(shí)現(xiàn)容量，是鋰離子電池突破400瓦時(shí)/公斤，甚至500瓦時(shí)/公斤的技術(shù)關(guān)鍵。設(shè)計(jì)電池的第一準(zhǔn)則是容量匹配，也就是正負(fù)極的容量要匹配?，F(xiàn)在鋰離子電池的正極克容量很低，在電池中的質(zhì)量非常大，1克石墨要匹配2克以上正極；如果用硅碳負(fù)極，正極的匹配量更大。因此，正極容量的提高對(duì)電池比能量提升的作用更大。富鋰錳基有高容量的特征，問題是電壓衰減非常嚴(yán)重，隨著電壓越來(lái)越低，電池的能量密度也越來(lái)越低。另外，它的離子擴(kuò)散系數(shù)和電子電導(dǎo)也非常低，倍率性能也比較差。

目前改善富鋰錳基正極的主要工作包括：組成優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備工藝優(yōu)化，表面改性。

物理所團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目，通過一種氣固的界面改性來(lái)構(gòu)筑表面的氧空位，使得富鋰錳基正極的電壓衰減問題得到了較好的解決，100周后衰減控制在2%以內(nèi)。應(yīng)該說(shuō)，他們至少提出了一種值得借鑒的方法，表面改性確實(shí)是改善電壓衰減的一個(gè)可能途徑。

此外，北大夏定國(guó)老師所帶的團(tuán)隊(duì)利用硫原子和鹵素原子調(diào)控富鋰材料中氧離子參與電荷補(bǔ)償?shù)目赡苄?，?shí)現(xiàn)了400毫安時(shí)/克的比容量，但目前循環(huán)性還不是很好。如果這個(gè)材料能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，那么500甚至600瓦時(shí)/公斤的鋰離子都是可以實(shí)現(xiàn)的。

另外一個(gè)材料問題是功能電解液?，F(xiàn)在做電池的都在研究功能電解液，但是對(duì)于以后高鎳三元、富鋰錳基正極，功能電解液的作用更大。高鎳三元隨著鎳含量的增加其穩(wěn)定性變差。鎳還有一個(gè)問題，就是它對(duì)電解液的氧化分解具有很強(qiáng)的催化作用。三元材料表面有鎳析出后，電解液的分解就會(huì)加快?，F(xiàn)在的主要思路是，采用含CN-集團(tuán)的添加劑來(lái)絡(luò)合表面偏析的鎳離子。此外，對(duì)于硅基負(fù)極而言，添加劑開發(fā)的主要方向是高韌性成膜劑。總的來(lái)說(shuō)，添加添加劑后，電池在效率、循環(huán)性等方面均得到了大幅度改善。

剛才我介紹了下一代電池的材料問題，其實(shí)下一代電池開發(fā)還有許多技術(shù)問題，我主要講幾個(gè)：

1、電池安全性問題。2016年承擔(dān)300W/kg電池項(xiàng)目開發(fā)的三家單位，他們的電池安全性都還不能滿足考核要求，300瓦時(shí)/公斤電池2020年能不能真正裝車？實(shí)際上不是性能問題，而是安全性問題。如果安全性解決不好，電池照樣不可能應(yīng)用。我們知道電池的安全性是由很多因素決定的，其中，正極的分解放熱是導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐囊粋€(gè)重要誘因。正極對(duì)電池?zé)崾Э氐呢暙I(xiàn)非常大，為什么？正極的用量最大，正極的放熱量最大，所以正極改變以后對(duì)電池安全性影響非常大。這里可以看到，三元材料，不管是高鎳三元還是一般的三元，它們的熱穩(wěn)定性都比磷酸鐵鋰差很多，不僅放熱量大，而且分解溫度低，這就會(huì)導(dǎo)致我們未來(lái)電池的安全問題會(huì)更加嚴(yán)重。當(dāng)然解決安全性問題，要從三個(gè)方面，材料、單體、系統(tǒng)全方位的開展工作。今天我看有研究系統(tǒng)的、有研究絕熱材料的，系統(tǒng)我估計(jì)華霆的周總會(huì)講這方面的東西。我認(rèn)為從安全性整個(gè)解決思路來(lái)講，材料是基礎(chǔ)，什么材料就決定了什么樣的安全性；單體是關(guān)鍵，好和壞由單體決定的；系統(tǒng)是保障，鋰離子單體發(fā)生了熱失控也不至于把其他的都引發(fā)。這里因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，我只在單體層面上介紹一些思路和工作。

第一種思路，發(fā)展電池自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)。我們電池是沒有溫度敏感特征的，溫度一高就可能引發(fā)熱失控。如果在電池中存在一種溫度敏感材料，在溫度高時(shí)能有效地切斷電子和離子的傳輸，那么在濫用條件下電池就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉其反應(yīng)，避免溫度的進(jìn)一步升高。最簡(jiǎn)單的辦法，就是將PTC材料用于電池中，實(shí)現(xiàn)溫度敏感。其實(shí)很多領(lǐng)域都在用PTC材料，只不過沒用到電池上面。PTC材料主要特點(diǎn)是，在常溫下電導(dǎo)很好；當(dāng)達(dá)到某一個(gè)轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，電阻急劇上升，從一個(gè)導(dǎo)體變成一個(gè)絕緣體，這樣就切斷了電極上的電子傳輸。假設(shè)我們用這個(gè)材料作為鋁箔或者銅箔的涂層，溫度高的時(shí)候，這個(gè)涂層的電阻變得特別大，就會(huì)切斷極流體和涂層之間的電接觸，使得電極就不能反應(yīng)了，至少反應(yīng)電流很小。還有一個(gè)方式，就是直接用PTC材料作為導(dǎo)電劑，溫度高的時(shí)候，電極整個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)就被切斷了，反應(yīng)速度就會(huì)大大降低。常規(guī)的PTC材料是碳黑和高分子樹脂的復(fù)合物。溫度高的時(shí)候樹脂膨脹，碳黑和碳黑之間的距離就加大了，電阻就急劇增大，PTC就是這個(gè)原理。但是這種PTC材料是不能用到電池中的，因?yàn)樗鼈兊念w粒很大，很難分散，作為導(dǎo)電劑需要添加的量很大，對(duì)電池的能量密度影響大，這樣電池廠就不愿意了。

這些年研究發(fā)現(xiàn)，一些導(dǎo)電聚合物，具有PTC效應(yīng)，而且可溶。利用這種材料可以制備非常薄的涂層。如我們發(fā)現(xiàn)P3OT這種聚合物，在30—80度的時(shí)候電導(dǎo)率是比較高的，但是90—110度的時(shí)候馬上有三個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，這個(gè)涂層不到1個(gè)微米，600納米左右，這樣不會(huì)影響電池的能量密度。我們測(cè)到這個(gè)涂層的結(jié)合力，都是沒問題的。常溫的時(shí)候，電極的充放電正常，一旦到90度以上，這個(gè)電池就不工作了。這是我們跟ATL合作取得的一些數(shù)據(jù)，這種涂層對(duì)電池常溫性能沒有任何影響，但是對(duì)電池的過充性能包括其他性能都有大幅度的改善，應(yīng)該效果是非常明顯的。另外我們也把這種PTC材料用作導(dǎo)電劑，制備了電池。大家可以看看，這個(gè)材料在120度的時(shí)候展出熱關(guān)閉的性質(zhì)，顯著改善了電池在過充、熱箱、針刺等條件下的安全性。

第三種方法，是熱關(guān)閉隔膜?，F(xiàn)有的三層隔膜都具有熱關(guān)閉功能。常規(guī)的隔膜，它的閉孔溫度是由PE熔點(diǎn)決定的，大約135度左右；熔化溫度是由PP熔點(diǎn)決定的，大約165度。由于閉孔溫度過高，熱關(guān)閉后，熱慣性極易使電池溫度繼續(xù)上升到165度，造成隔膜熔化和電池短路，因此常規(guī)隔膜的熱保護(hù)作用有限。如果我們?cè)诟裟け砻嫱糠笠粚铀芰衔⒖祝敲催_(dá)到微球熔點(diǎn)的溫度時(shí)，表面微球?qū)泳腿刍?。球熔化以后就把這個(gè)隔膜的孔給堵了。另外現(xiàn)在做的結(jié)果是，微球朝向哪一面電極，哪一面電極表面的孔就被堵死，效果也非常好。由于離子傳輸被切斷了，電池反應(yīng)就停止了，電池就安全了。我們?cè)谥泻阶隽艘慌?0安 的時(shí)三元材料電池，從短路、擠壓、過充等實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，比空白電池的安全性提高了很多。

解決安全性問題的第二個(gè)思路是，發(fā)展全固態(tài)電池。

實(shí)際上從提高體積能量密度來(lái)講，全固態(tài)電池也非常有前景。隨著電池密度提高，體積能量密度對(duì)乘用車來(lái)說(shuō)越來(lái)越顯得重要。從第57屆日本電池會(huì)議上反饋的信息來(lái)看，韓國(guó)、日本的一些研發(fā)機(jī)構(gòu)都在開展固態(tài)電池的研究，國(guó)內(nèi)的ATL等一些大的電池企業(yè)也在做這方面的研究。8月份的時(shí)候我在無(wú)錫參加了一個(gè)固態(tài)電池會(huì)議，我想就一兩百號(hào)人，結(jié)果來(lái)了600多人，就是說(shuō)這兩年固態(tài)鋰離子電池全球和全國(guó)都很熱了。

液體和全固態(tài)比較，主要優(yōu)勢(shì)是高安全性。另一個(gè)特點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)串聯(lián)，有利于模塊和系統(tǒng)能量密度的提升。但是它的界面應(yīng)力大、穩(wěn)定性差，固體電解質(zhì)必須跟活性材料顆粒充分接觸，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋰離子的傳輸。但是任何電極材料，不管是石墨還是三元材料，充放電過程中都會(huì)出現(xiàn)體積變化。一旦體積變化引起固/固分離，鋰離子的傳導(dǎo)就會(huì)受阻，電池性能就會(huì)急速下降。所以固體電池整個(gè)研發(fā)的重點(diǎn)之一是固體電解質(zhì)的選擇，現(xiàn)在來(lái)看，硫化物是比較適合的，因?yàn)榱蚧锵鄬?duì)軟一些；二是固/固界面的構(gòu)筑技術(shù)和穩(wěn)定化技術(shù)，今年有一個(gè)固態(tài)電池的指南，馬上要發(fā)出來(lái)，怎么樣構(gòu)筑這個(gè)固/固界面，而且要穩(wěn)定，這里面就有訣竅了，如果用純粹的固體電解質(zhì)做肯定做不到，最好的辦法就是無(wú)機(jī)和高分子的雜化體；三是生產(chǎn)工藝和專用設(shè)備的開發(fā)。固態(tài)電池的生產(chǎn)過程肯定跟我們現(xiàn)在的業(yè)態(tài)不一樣。

2、高載量電極的設(shè)計(jì)技術(shù)。特別是以后能量密度提高，這個(gè)問題更突出?；钚晕镔|(zhì)在電池中的占比是影響電池比能量的一個(gè)重要因素。我這里給出一個(gè)圖，給出了活性物質(zhì)占比從0.45一直到0.7時(shí)電池能量密度的實(shí)現(xiàn)情況。同樣正負(fù)極材料，同樣的克容量，如果一個(gè)電池里面活性物質(zhì)質(zhì)量占比較小的話，電池的能量密度就低。所以要提高能量密度，一定要從相同重量的電池里面盡量多地填充活性物質(zhì)。活性物質(zhì)多一定是輔助材料少，銅箔要減少、鋁箔要減少；其實(shí)最主要的是將電極做厚，電極厚了，集流體和隔膜的用量也就減少了。但是，鋰離子電極不能做厚，厚了之后電極表面極化就變大了，電極在厚度方向的利用率就降低，而且會(huì)造成充電過程中負(fù)極析鋰、正極分解等問題。從提高能量密度來(lái)講，希望越厚越好；但是極化理論告訴我們，電極越薄越好，這兩者是完全矛盾的。隨著能量密度提高，比如一個(gè)單體100瓦時(shí)/公斤，現(xiàn)在變成300瓦時(shí)/公斤，意味著單位重量的材料所承擔(dān)的電流同步提高，因此對(duì)于今后的高能量密度電池，保持功率性能是非常難的，所以高載量的電極設(shè)計(jì)技術(shù)越來(lái)越重要。

沒辦法解決這個(gè)矛盾嗎？其實(shí)是有辦法的，實(shí)際情況是，越靠近隔膜的時(shí)候液相電流是越大的，這個(gè)電流就是外部電流；沿著極片厚度方向，液相電流慢慢減少，固相電流逐漸增加。所以越靠近隔膜電極孔隙應(yīng)該越高，越靠近電極的極流體，電極孔隙可以越低。所以，既要保證高能量密度、又要保證功率性能，一定要設(shè)計(jì)一種梯度孔隙分布的電極，至于怎么做大家想辦法。隨著新材料的應(yīng)用、電池能量密度的提高，梯度孔隙電極的設(shè)計(jì)越發(fā)重要。至于梯度達(dá)到什么程度，不是靠試驗(yàn)摸索，試驗(yàn)摸索很難的，要建立極化模型。

總結(jié)：

鋰離子電池仍然是動(dòng)力電池發(fā)展的重點(diǎn)，解決硅負(fù)極的循環(huán)庫(kù)倫效率低和富鋰錳基的電壓衰減問題，有望發(fā)展出比能量突破400瓦時(shí)/公斤的先進(jìn)鋰離子動(dòng)力電池。

從遠(yuǎn)期來(lái)看，革新型鋰離子電池較鋰硫、鋰空更具現(xiàn)實(shí)可行性。開發(fā)基于陰離子電荷補(bǔ)償機(jī)制的高容量富鋰氧化物正極，可以發(fā)展出比能量大于500瓦時(shí)/公斤的動(dòng)力電池。

安全性決定了高比能電池裝車應(yīng)用的前景，發(fā)展自發(fā)熱控制技術(shù)和全固態(tài)電池是可行的解決方案，需加緊攻關(guān)。

高載量電極是實(shí)現(xiàn)電池高比能的基礎(chǔ)，根據(jù)極化末新，開發(fā)梯度孔率電極，對(duì)于高比能量電池發(fā)展具有重要作用和意義。

（根據(jù)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）

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