WNEVC 2022 | 中国科学院黄学杰：下一代电池技术进展与市场展望

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会（WNEVC 2022）于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中，北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办，将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题，邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动，200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中，在8月28日下午举办的技术研讨会“动力电池关键技术创新”上，中国科学院物理研究所研究员黄学杰发表专题演讲。

以下内容为现场演讲实录：

尊敬的董扬理事长，各位同行，各位嘉宾，非常荣幸有机会参加本次大会。我这个题目是大会组委会给我的命题作文，我准备先讲市场，再讲电池技术，再讲下一代，为什么呢？因为市场起决定作用。

市场增长的速度之快，快到把碳酸锂的价格打上去十倍。这种趋势还会延续下去，因为预测到2030年的时候，市场大多数都是电动汽车，电动汽车大多数使用锂离子电池，所以这个趋势是不会变的。

大家通过磷酸铁锂电池结构的改进，通过了电池包技术的改进，把搭载铁锂的续始里程能够达到500公里以上，所以装机量也上来了，应该说结构改进的效果非常的明显。典型的就是大圆柱电池，以网红马斯克为代表的，把原来的18650、2170改成了4680。其实这项技术它并不是新技术，今天马斯克要变成汽车里面标准的电池产品。还有中创新航的one-Stop，麒麟等等，结构变化非常明显，这种结构变化带来了电池能量密度的提升。过去电池的指标100Wh/kg，200Wh/kg，300Wh/kg，其实那不是能量密度，那个是比能量，过去比能量很重要，车子太重了，现在能量密度变得很重要，就是说Wh/L变得很重要，谁能够在尺寸不改变的情况下，把能量多做上去百分之几十，那就是本事，所以刀片电池也是当时基于这样的考虑。

电池集成技术的进步也很明显。无论是C2C，无论是新结构的电池变得更紧凑，包括冷却系统，甚至机械连接方式，胶水取代一部分的结构件，都能够更紧凑。但是还有一个变化，就是材料的变化。实际上动力电池的材料一直不断进步，经历过两代。过去大家买车关心发动机排量， 1.5升是便宜的车， 3.0升高端车。现在买车关心什么呢？是磷酸铁锂还是三元，这个说的是正极材料决定了电动车电池是哪一代。今天的磷酸铁锂和三元已经是第二代了，第一代曾经也很辉煌过，就是日产里面用的锰酸锂，那个也不错，水平也很高，不卖了，为什么？只有二百多公里，消费者接受不了，今天已经到了400-600公里，这是就是第二代电池。第二代“双胞胎”各有各的优点，老大成本比较低，寿命长，安全性高；老二能量密度高，成本稍微高一些。

第三代动力电池，你更多关心的是什么？关心的是能量密度，关心的是瓦时每升。今天磷酸铁锂单体电池差不多在400Wh/L，三元电池在600Wh/L。水平最高的电池其实是手机电池800-850Wh/L，所以手机电池更关心厚度，汽车很快就会进入到这个阶段，把体积，把能量密度作为更关心的因素，这就是技术发展的趋势。第二个就是安全问题和可靠性问题。2030年电池材料技术、设计技术跟制造技术，应用技术会让电池着火成为过去式。下一代的电池要在今天的二代磷酸铁锂跟三元的基础上，能量密度能够提升50%，也就是说在尺寸不变的情况下增加50%的能量，同时价格下降30%。马斯克说他的4680要把价钱下降50%，我觉得有点理想化，但是能不能够下降30%，甚至更多一点，通过材料技术和制造技术进步的话我觉得是有可能的。第三是快充。大家不能接受长时间的等待，晚上在家里慢充，可慢可快。2030年预测大多数电动汽车都会用上清洁能源、可再生的能源充电。因为也有另一种声音质疑电动汽车的减排，认为充电来源依然是烧煤，只不过把路上的污染变成电厂的污染。其实到2030年大部分的电会来自太阳能，会来自风电。所以我赞成慢的时候自会慢，但是快的时候要自会快。我是赞成巨湾的6C概念，就是喝一杯咖啡的时间，能够补充50%的电量，我想这个是完全可以接受的。最后一个要求就是环境适应性比较好，特别是冬季适应性。

有没有机会实现上述目标？我先从二代讲起。磷酸铁锂是目前主流的产品，去年全球生产49.5万吨的磷酸铁锂，中国就生产超过49万吨，是对储能产业巨大的支持，因为它超长的寿命跟良好的安全性。再一次把两个老先生的照片挂出来感谢他们一下，一个是把磷酸铁锂提出来了，一个在上面包上了碳，让我们有机会把产业做起来。这个材料有没有机会进步？有！把锰加进去之后牺牲点寿命和低温的性能。在做添加硅的负极改进，寿命会大受影响，通过补锂技术提升寿命。我跟我的同事们最近在松山湖材料实验室，测试新的补锂材料。大家知道磷酸铁锂电池有它的优点，电池的内组不会变化，功率特性不会变，但是容量会降低，因为活性锂会减少，所以说循环容量一点一点减少，3000次循环之后它丢掉了10%多，如果能够实施补锂技术，寿命可以无限长。我们团队提出来一个硅酸锂补锂，硅酸锂的锂含量很高，锂不够了就一点一点的补，补完了之后最后的产物是二氧化碳。二氧化碳不仅仅不影响电池性能，还让电池放电性能越来越好。但是二氧化硅留下来的同时氧怎么办？电池最怕氧，我们通过添加硫，一个硫可以吃掉四个氧，不仅不产生有害的物质，还产生有利的物质，最近系列研究成果的文章会发出来。这个材料的碱性比铁酸锂镍酸锂低多了，对制造过程变得友好。这么多的锂加进去碱性就很强，碱性一旦强了以后很容易凝固。我们通过添加正硅酸锂，碱性大幅度的降低。

二代电池还有另外一个就是三元材料。三元材料钴越来越少，镍越来越高，现在做到镍811，80%镍的正极已经用到动力电池里面去了，接着探索能不能够用到90%。80%可以做成单晶，90%会有问题。氧化物一直是两条路线，一个是提高电压，一个是提高容量。先讲讲我们对三元材料的改进。过去三元材料一次颗粒是比较小的，一次颗粒团聚起来变成二次颗粒，一次颗粒之间它有缝，在高温循环的时候会导致三元材料的破裂。所以为了克服这个问题，把它烧成单晶，523烧成单晶，620也能烧成单晶，811勉强还可以烧成单晶，到了镍90、镍95的时候你烧不成单晶了。我们的办法是反其道而行之，不仅不做成单晶，把他一次的颗粒做的更小，做成纳米化，纳米化之后形成致密结构。Nb的搀杂可以起到胶水的作用，它把更小一次颗粒联合起来了，材料变得非常稳定，机械压缩的时候不会破，高温循环的时候不会破，燃气不容易释放出来，带来的结果适用于动力电池。从大量的数据做深度分析，如果是多晶的材料不进行粘合，在高温循环以后会形成大量的裂缝；如果粘合起来以后有很好的强度，这就是多晶跟单晶的区别。最近已经不输给单晶了，因为市面上811比较多，所以我就拿811来做一个验证。

接着就是讲三代，两种电池，一种是普及性的，也就是所谓的经济性的，在今天磷酸铁锂基础之上增加50%的能量密度，靠的是镍锰酸锂材料。首先碳酸锂贵，做三元材料一公斤的碳酸锂大概也就能够做到1.6、1.7个千瓦时，铁锂便宜，不仅仅是铁便宜，每个千瓦时的碳酸锂用少了，因为一公斤的碳酸锂拿来做铁锂，能够做2.1个千瓦时，如果做镍锰能够做到2.95千瓦时，能够把锂节省下来，如果大量的电池都能够做起来，能够节省这30%、40%的碳酸锂，这个平衡就会打破。感谢科学院有这个耐心支持我们从2005年干到了2018年。把它拿来跟三元一块比，单晶的也可以，高压下面照样有很好的性能。同时它还有它的特点，材料级寿命测试超过了五千次，而且这个材料可以适合于水性的正极加量来做的，所以NP可以去掉，现在有三千次以上的循环，所以基本可以通过软包电池做下来。它的安全性不是接近于三元，是接近于铁锂，同时有非常好的低温性能，零下20度肯定比铁锂零度的效果还会好一些。

接着第三代电池也是双胞胎，另外一个就是三元的升级版，目标是 1000瓦时每升。高镍通过纳米化的多晶，通过粘合的方式，把镍推到极致，极致也就是接近镍酸锂电池的水平，到了镍酸锂，镍也是在230mAh/g，接着大幅度提升负极的容量。2019年的科技部第一次支持动力电池的能量密度是1000瓦时每升，负极材料1500 Ah/L，现在看来情况还不错，比这个结果要好，循环性效果要好。

镍酸锂的致密化，终于把极片开裂的问题解决了，因为它要能够发挥出超过200 mAh/g的容量，大家都知道硅是可以做到的，但是问题是体积也膨胀了200%多，这个极片一定会开裂的。怎么让极片不开裂，这个问题这两年得到了有效的解决。从结果可以看到，长循环的时候不会出现跳水。这些工作同时是对全行业开放，我很高兴一部分合作伙伴已经开始在松山湖建立研究中心，建氢能研究院，也有跟我们一起来做平台，我们有个平台叫做能源材料与器件的创新工厂，成为会员以后，有机会接受开放平台的支持跟合作。

到2030年的时候，大多数的电池就会是第三代动力电池。对2030年的市场我有四个估计：第一个就是说大多数的销售汽车会是电动汽车。第二个，就是说大多数的电动汽车里面用到的还是锂离子电池。第三个，大多数的电动汽车用了锂离子电池会是第三代的锂离子电池。第四个大多数，就是那个时候我们充电的电大多数都是绿电。

我想这个就是我和大家分享的内容，不对之处请大家批评指正，谢谢大家。

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）