作者:韩扬眉 刘如楠 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/11 11:44:02
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中国锂电池“突围记”

 

锂电池是电动汽车的关键部件。在世界汽车大国你追我赶、逐鹿新能源车的今天,得锂电池者得天下。

2023年6月,一块由我国自主研发、能量密度每公斤360瓦时的固态锂电池正式交付给电动汽车的龙头企业,在业内引发热议。这一进展标志着中国在电动汽车大国的道路上又迈出了重要一步,被认为是全球电动汽车行业的重要里程碑。

鲜为人知的是,到达这一“里程碑”之前,中国科学院物理研究所(以下简称物理所)科研团队已经在锂电池领域潜心耕耘40余年。

40多年前的中国,自行车都还未普及,汽车对普通人而言更是可望而不可即的奢侈品。由中国工程院院士、物理所研究员陈立泉带领的团队见微知著,意识到固态锂电池的重要性,并前瞻性地进行布局,历经艰难曲折,终于推动中国锂电池工业实现了从无到有、从跟跑到领跑的历史性跨越。

岁月悠悠、青春不再,如今84岁的陈立泉梦想依旧:未来的中国天更蓝、路更宽,电动汽车飞驰在大街小巷。

“我们的目标一定会达到。”面容清瘦的他目光坚定、自信满满。

故事从“转行”开始

“我想转向研究超离子导体。目前整个马普固体所几乎都在研究氮化锂(Li3N),据说可用来制造汽车的动力电池。”
1976年末,正在德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所(以下简称马普固体所)访学的陈立泉给物理所领导写了一封信,申请改变研究方向——从晶体生长转向固态离子学。
“同意!前提是要完成导师交代的晶体生长任务。”物理所领导很快回复。
这个决定,让历史的航船转变了航向。
在马普固体所,陈立泉了解到,氮化锂是一种超离子导体,可以用来制备固态锂电池。用氮化锂制造的固态电池能量密度远远高于铅酸电池,未来有可能应用在电动汽车上。因此,深入理解、研究这一材料极为重要。
当时,世界正经历石油危机,不仅西方社会陷入二战后最为严重的经济衰退,我国也不得不大量进口石油、填补需求缺口。
这更让陈立泉认识到,替代石油的能源革命一定会到来,研发固态锂电池是大势所趋。转方向申请得到批准后,他仅用5个月的时间就完成了原计划一年的晶体生长任务,之后一头扎进固态离子学领域,研究超离子导体。
1978年,法国科学家米歇尔·阿曼德首次报道了固态金属锂电池的研究成果。同年,陈立泉返回中国。两年后,在物理所大力支持下,国内首个固态离子学实验室宣告成立,陈立泉正式开启固态离子学的相关基础研究,向着最终目标——固态锂电池进发。
此后,中国科学院连续3个五年计划都将固态离子学和锂电池列为重点或重大项目,为这项研究提供了基础保障。
1987年,我国启动“863”计划“七五”储能材料(聚合物锂电池)项目,由陈立泉担任总负责人,下设12个课题组。忆昔抚今,陈立泉很是欣慰:“目前我国很多企业都在生产锂电池,所使用的技术主要就是由这12个课题组的科研成果转化而来的。”
1988年,第一批固态锂电池在实验室诞生,但其距离商业化应用还非常遥远,中国锂电池未来的道路依然布满荆棘。
进入20世纪90年代,锂电行业风云变幻。研发前景不明,到底谁能来做中国锂电池的“领航者”?
陈立泉团队用行动扛起了旗帜。

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20世纪90年代中国固态锂电池。

转攻锂离子电池

1991年,日本索尼公司宣布(液态)锂离子电池实现商业化。

“固态锂电池使用金属锂作为负极材料,而锂离子电池将锂以离子的形式藏在碳材料里,更加安全——这是二者的最大区别。”物理所研究员黄学杰说。他们先“放下”了还不成熟的固态锂电池,转而研发锂离子电池。
1993年,经费接续不上,陈立泉心急如焚地找到中国科学院领导求援:“锂离子电池非常重要,锂电池将由此复活。”中国科学院给予了最大限度的支持,但研究经费依然不够。陈立泉又找到一位敢于冒险的企业家才补足缺口,立即开始研发锂离子电池。
1995年,中国第一块A型锂离子电池在物理所诞生。当年12月下旬,黄学杰结束欧洲访学,回到物理所,赶上了中国科学院1996年1月组织的鉴定会。他受陈立泉邀请,接任固态离子学与能源材料课题组组长。那年,黄学杰29岁,是陈立泉团队的“元老”之一。加上他,课题组总共3个人。
回忆起那段历史,黄学杰很是感慨:“那段时间,‘板凳’都是冰凉的,几乎干不下去了。”
当时,与超导、磁学等国际热门研究方向相比,锂离子电池属于“冷门”,在科研经费异常紧张的情况下开展相关研究难免受到一些质疑。
但黄学杰不服气。他问物理所领导,如果他们转换赛道做产业化,所里能否给予更大支持。
黄学杰这么做的底气,源于首批锂离子电池样品的技术水平。1996年,中国科学院辗转将A型电池样品送到当时最大的手机生产商美国摩托罗拉公司进行测试,很快得到了正面的评价结果。
不过,那时实验室每天做的锂离子电池数量还不足10块,而产业化之前的中试线至少需要每天生产1000块。当时课题组的人、财、设备极其有限,黄学杰一筹莫展。
关键时刻,中国科学院鼎力支持,东拼西凑拿出80万元。“看来中国科学院是真干!”澳门一家合作企业的负责人深受鼓舞,投资了中试所缺的600万元。
很快,黄学杰牵头引进了少量设备,其余都是自制的。经过消化—吸收—再创新,1997年,锂离子电池中试工作终于在物理所启动。
为更好地了解锂离子电池生产的每个环节,陈立泉和黄学杰亲力亲为,在这条生产线上当了一年多的“工人”,什么脏活、累活都干。
1998年秋,依靠自制的设备、国产原材料和中国人自己的技术,科研团队建成了第一条年产量20万支A型圆柱形锂离子电池的中试生产线。这是中国第一条正式投产的锂离子电池中试生产线,解决了规模化生产锂离子电池的主要技术和工程问题,为探索我国锂离子电池产业化道路作出了奠基性贡献。
同年,黄学杰发起成立北京星恒电源有限公司(以下简称北京星恒,2003年迁址,改为苏州星恒电源有限公司,以下简称苏州星恒)。第一批产品进入市场,标志着中国正式实现了锂离子电池商业化。
“中国科学院和科技部支持的快离子导体和固态电池的研究,为锂离子电池的研究和生产储备了知识、技术、设备和人才。由于我们使用自研设备,不仅大大降低了锂离子电池的价格,产品也达到了同样的性能。”陈立泉回忆说。

从此,中国锂离子电池的全球竞争力显著增强,并快速跻身世界前三。

从跟跑到领跑

当时,物理所生产的电池的市场主要面向两轮车,以及电视台等媒体的摄影摄像设备。
黄学杰讲了一个小“插曲”:2001年,中国科学技术协会(以下简称中国科协)在长春举办学术年会,时任中国科协主席、第九届全国人大常委会副委员长周光召和著名物理学家杨振宁为黄学杰颁发了中国科协“求是杰出青年成果转化奖”。颁奖仪式后,周光召问黄学杰:“锂电池做得怎么样?产品应用情况如何?”黄学杰回答:“记者的摄像机电池就是我们的首个产品。”
周光召听后,便请相关同志去看看,参会的7家电视媒体用的是哪种品牌的电池。结果令人惊喜:有4家用的都是物理所的电池,另外3家用的是外国品牌。
周光召倍感振奋,回京后不久就到北京星恒实地探访。不仅如此,他还力邀时任科技部部长徐冠华到该企业考察。这极大鼓舞了研发团队的斗志,激励着他们乘胜前进,推动中国锂离子电池迈上新台阶。
但是,做摄像机、电动自行车电池毕竟只是“小目标”,制造汽车动力电池才是陈立泉和黄学杰的终极梦想。
随着时间推移,基础研究取得重要突破性进展。材料是锂离子电池的关键,一代材料决定一代电池。对于一块电池,制造成本只占20%,材料成本则占80%。
物理所研究员李泓还是博士生的时候,就发明了纳米硅负极材料,并申请了世界第一个纳米硅负极材料专利,这一材料可显著提升锂离子电池的能量密度。只是当时纳米硅碳负极技术完全不成熟,无法做到中试。
第一代电动汽车电池的正极材料是锰酸锂,它是由诺贝尔化学奖得主约翰·班尼斯特·古迪纳夫于1983年发明的。1997年,古迪纳夫团队又发明了更加稳定安全的正极材料——磷酸铁锂,这是目前电动汽车、电动大巴、电动船舶等电动交通工具使用的主流材料。
物理所在极其有限的科研条件下,研究了锂离子电池正极材料的制备方法、基本特性和材料性能,不仅制备出正极材料钴酸锂、锰酸锂和三元正极材料,还对其进行改性,使其具有自主知识产权。他们对磷酸铁锂进行体相掺杂改性,让工艺更简单、性能更好,并申请了发明专利,打破国外原始专利对磷酸铁锂材料的垄断。
“第一代和第二代动力电池由外国人先做出来,中国的锂离子电池则首先从中国科学院诞生。在这个过程中,我们实现了从第一代的跟跑到第二代的并跑。”黄学杰和陈立泉在思索,“到了第三代,我们能不能赶超、领先?”
进入21世纪,中国要力争在锂离子电池赛道上跑得更快一些。
向着这个新目标发力,科学家需要敢于“下海”,也要舍得“上岸”。
2006年,苏州星恒年销电池两万余套,达到收支平衡,同时产品销往国际市场。“市场接受我们的产品了。”同年,黄学杰卸下苏州星恒技术副总职务,返回北京,投身第三代电池的研发。
2009年,在一次讨论会上,陈立泉作了《中国锂电如何突围》的报告,提出锂电突围取决于三个方面——对基础研究的重视、政府和企业家的资金投入,以及正确的国家战略。锂电池生产商ATL(宁德时代前身)董事长张毓捷听完,马上与陈立泉击掌盟誓,“实现中国锂电突围从ATL开始!”2011年,全中资公司宁德时代横空出世。
近10年来,在党和国家的大力支持下,宁德时代等锂电池生产企业与科技界通力合作,发扬“三千越甲可吞吴”的精神,使我国锂电池实力迅速上升,产品竞争性极大增强。2014年,中国锂离子电池的国际市场占有率已为世界第一。近些年,全球排名前十的锂电企业中,中国企业有6家。
陈立泉和黄学杰团队在第三代锂离子电池的基础研究上取得了系列突破,其中他们基于镍锰尖晶石高电压正极材料研发的锂离子电池中试即将完成,能量密度比第二代的磷酸铁锂电池提升50%以上,量产后预期成本也明显下降。

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锂电池科研团队正在讨论。

再次冲击固态锂电池

如今,中国已经成为名副其实的电动汽车大国,中国锂离子电池产量和产能居全球第一。统计数据显示,2022年,全球70%的锂离子电池、99%的磷酸铁锂正极材料由中国企业生产。
中国锂电池如何保持世界领先地位?陈立泉心中早有设想:必须发展固态锂电池。“固态锂电池依然是未来可再充电池技术的核心。抓住第一机会才能掌握主动权。”这一20世纪70年代因各方条件不成熟而被搁置的理想,被陈立泉再次提及。他敏锐地察觉到,是时候再次向固态锂电池发起冲击了。
发展固态锂电池,有其必然性。锂离子电池的能量密度达到每公斤300瓦时已接近极限,燃烧与爆炸等安全事故时有发生。因此,未来要想将能量密度提高到每公斤500瓦时,就必须发展固态锂电池。由于固态锂电池是用固态电解质替代液体电解质,能够避免燃烧和爆炸的危险,安全性大大提高。
陈立泉说,放眼世界,美国寄希望于锂硫、锂空等下一代高比能二次锂电池,同时希望在下一代锂电池硅基负极和层状多元过渡金属氧化物材料领域取得突破;日本、韩国则在硫化物固体电解质研究方面技术领先、知识产权积累深厚,在保持优势的同时不断开拓创新。
“下一代锂电池应是全固态锂电池。如果我们将全固态锂电池技术攻克了,再去做锂硫、锂空电池,相关技术难题就会迎刃而解。”这一次,陈立泉更加自信。

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锂电池科研团队研发的固态锂离子电池(半固态磷酸铁锂储能电池)储能系统。

固态锂电“保持领先”

2013年,陈立泉提出中国固态锂电池的发展愿景——争取5年实现产业化。

中国科学院过去数十年的研究和产业化实践,为这一愿景打下了坚实基础。为了尽可能利用现有锂离子电池的生产设备和技术工艺,陈立泉和团队成员提出了“原位固态化”的方案:在现有的锂离子电池电解液中增加添加剂,让正负极表面的固体电解质层变厚,直至液体电解质完全变成固体。
2016年,物理所孵化的北京卫蓝新能源公司(以下简称卫蓝新能源)成立,使原位固态化技术实现了产业化。2018年,能量密度每公斤300瓦时的固态电池进行装车试验。2019年,卫蓝新能源固态电池产品在能量密度、功率密度和安全性等方面均为世界第一。
愿景的实现需要攻坚克难,为此,物理所团队持续奋斗着。
2013年,中国科学院启动战略性先导科技专项(A类)“变革性纳米产业制造技术聚焦”,物理所研究员李泓担任其中长续航动力锂电池项目的首席科学家,纳米硅负极材料得到了支持。2017年,溧阳天目先导电池材料科技有限公司成立,纳米硅负极材料在工程上加速发展,并最终实现了大规模量产,为我国锂离子电池能量密度超过每公斤360瓦时作出了贡献。
李泓解释说,与石墨材料相比,硅碳作为负极材料优势更佳,硅材料的理论质量比容量最高可达每克4200毫安时,远大于石墨的每克372毫安时,是目前已知负极材料中理论比容量最高的材料。
“可实用化的固态电解质材料、固固界面问题,以及使用固态电解质材料后现有正负极材料能否在电池中发挥得更好,过去液态电解质不能用的正负极材料是否有重新应用的机会,是否有新正负极材料更适应固态电解质……这些都是需要广泛深入研究的问题。”李泓说。
“我们在20世纪70年代想做的全固态锂电池,今天应该可以‘复活’了。”黄学杰感到很欣慰,他们在做一件被事实证明越来越好的事情。“可能还需要10到15年的时间,全固态锂电池会被越来越多的企业和用户接受,这一代电池性能与安全性将会成倍提升。”
为了加快这一进程,陈立泉呼吁,锂电池企业应尽快与科研单位和原材料企业合作,解决应用新的电池材料及电池体系的科学技术和工程问题,在短期内生产出高能量密度的合格电池产品。同时,要破除对国外装备和技术的迷信,尽快用先进国产设备“武装”锂电企业,增强我国锂电产品的国际竞争力。“学术界、工程界、产业界联手,基础研究与应用研究紧密结合,加快研究成果产业化进程。”
如今,当年的3人小组已经发展成百人大团队,固态离子学与能源材料课题组也成为物理所历史上唯一成功“复活”的课题组。

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发展壮大的锂电池科研团队。物理所供图

尽管在所有储能技术中,锂离子电池能量转换效率最高、综合性能最好,但锂资源供应存在挑战。目前我国70%的锂资源依赖进口,供应链上存在风险,且难以同时满足交通、智能电网和可再生能源大规模储能的需求。
“一旦在供应链上出现风险,对我们损害极大,我们必须开辟新赛道,开发不受资源限制的电池体系。钠离子电池是一个极佳选择。”物理所清洁能源实验室主任胡勇胜研究员告诉《中国科学报》。
中国科学院提前布局钠离子电池基础研究,在国家需要的时候能够挺身而出,物理所团队提出多种新型钠离子电池正极材料(含铜基氧化物)和负极材料(煤基碳材料)。两年时间里,国内首个钠离子软包电池和圆柱电池在物理所相继诞生。
2017年,基于物理所核心正负极材料的知识产权,国内首家钠离子电池企业中科海钠应运而生。
2019年3月,世界首座100千瓦时钠离子电池储能电站在江苏溧阳诞生。2021年6月,研究团队在山西太原推出全球首套兆瓦时钠离子电池光储充智能微网系统,并成功投入运行。2023年12月,团队向南方电网交付十兆瓦时钠离子电池用于储能系统试制验证和性能评估。
“我国钠离子电池不论是在材料体系和电池综合性能等技术研发方面,还是在产业化推进速度、示范应用以及标准制定等方面均处于国际前列,已具备先发优势。”胡勇胜说。
如今,距离最初陈立泉开启电动汽车电池材料研究已过去近半个世纪。几十年来,材料更新、技术迭代,物理所打造了一个又一个电池新高地。唯一不变的,是一代代科研人员勇攀高峰、敢为人先、淡泊名利、潜心研究的精神血脉。
在一次电动汽车论坛上,陈立泉再次描述了他对电池未来发展的期望:“固态电池大干快上,引领电动中国;钠离子电池并驾齐驱,助推能源互联。”
2024年新年前夕,国家主席习近平通过中央广播电视总台和互联网,发表了二〇二四年新年贺词。其中提到,新能源汽车、锂电池、光伏产品给中国制造增添了新亮色。中国以自强不息的精神奋力攀登,到处都是日新月异的创造。
中国的锂电池正突破重围、势不可挡。
《中国科学报》 (2024-03-11 第3版 专题)
 
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