瞭望訪談丨復興固態鋰電池——專訪中國工程院院士 陳立泉

時間:2024-12-10 15:40來源:《瞭望》2024年第50期 作者:子蕊
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​◇我國固態鋰電池的發展是先從液態鋰電池開始，經過原位固態技術逐步固態化，最終實現全固態鋰電池
◇2023年，我們團隊發展的聚合物和氧化物復合電解質的原位固態化電池，能量密度達到了量產動力電池中的全球最高水平（360Wh/kg），已實現GWh級的規模化量產，支持電動汽車單次充電續航超1000km
◇原位固態化電池具備更高能量密度、更高安全性，大規模量產后全生命周期成本較低，具有更加廣泛的應用領域，如低空經濟、電動船舶、長續航新能源汽車、儲能和消費類電子等領域
文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順
在上汽時代動力電池系統有限公司車間，工人在安裝新能源汽車動力電池系統（2023年2月16日攝）楊磊攝 / 本刊
我國是全球最大的新能源汽車產銷國。2024年11月14日，中國汽車工業協會發布消息，中國新能源汽車首破年度1000萬輛。
作為新能源汽車核心技術“三電系統”之一的電池系統，近年來不斷取得突破。根據工業和信息化部裝備工業發展中心發布的《動力電池產業發展指數（2024年）》，中國動力電池企業全球市場占有率穩步提升，由2021年的48.8%、2022年的59.8%，增長到了2023年的62.9%。我國動力電池市場以鋰電池為主，鋰電池因其高能量密度、長壽命和相對輕便的特點，在新能源汽車等領域得到了廣泛應用。
我國之所以能夠在汽車鋰電池領域異軍突起，與搶先布局有很大關系。上世紀70年代末，我國開始布局固態鋰電池研究，中國科學院“六五”和“七五”計劃將固態離子學和固態鋰電池列為重點課題。在中國科學院、科技部等項目支持下，中國工程院院士、中國科學院物理研究所研究員陳立泉帶領團隊于1995年研制出我國第一塊液態鋰電池。在此基礎上，團隊解決了鋰電池規模化生產的科學技術與工程問題，實現了鋰電池的產業化。
2023年，陳立泉團隊利用原位固態化技術路線研發并商業應用固態鋰電池。固態電池被行業視為最具潛力的“下一代動力電池”。如今，已是耄耋之年的陳立泉依然活躍在科研前線，指導學生探索全固態鋰電池、鈉離子電池等前沿研究。“國家需要什么，我們就做什么。”他說。
實現鋰電池產業化
《瞭望》：你是如何帶領團隊實現鋰電池從基礎研究到產業化發展的？
陳立泉：1976年末，中國科學院與世界其他研究機構重新開展學術交流與合作，我作為短期交換學者赴德國馬克斯—普朗克固體研究所開展研究。由于當時我在中國科學院物理研究所（下稱“物理所”）從事晶體生長研究，因此我的導師A.Rabenau教授讓我在他的實驗室做晶體生長研究。
那時幾乎整個固體研究所都在研究氮化鋰（Li3N）單晶，這是一種超離子導體，可以用來制備固態鋰電池。其能量密度遠高于鉛酸電池，并且可能應用在電動汽車上。我當即意識到這是一類重要的材料，隨后我寫信給物理所領導申請更換研究方向，領導很快就同意了。
我的導師也同意我轉向超離子導體研究。我把原計劃用一年時間完成的晶體生長任務，用了五個月時間完成，然后開始學習固體電化學并研究超離子導體，這也是我研究固態鋰電池的開端。
1978年我回國后，繼續研究固態離子學。1988年我們研發出了國內第一塊固態鋰電池，但距離商業化應用還非常遙遠。到了1991年，日本索尼公司宣布液態鋰離子電池實現商業化，我國傳統電池產業面臨巨大沖擊。我當時就決定先放下固態鋰電池的研究，轉攻液態鋰離子電池的研究。
1994年，我們建立起了實驗室級別的生產線來研究一種圓柱型鋰離子電池技術。在1995年研制出第一塊液態鋰電池后，1998年，我們依靠自己研發的技術、自制的設備、國產原材料，建成年產20萬支18650型鋰離子電池中試線。此后我們成立了公司，標志著中國正式實現了鋰離子電池的商業化。
總的來說，中國科學院和科技部支持的固態離子學和固態電池研究為鋰離子電池的研究和生產提供了知識、技術、設備和人才儲備。中國早期的鋰離子電池商業化極大地得益于20世紀90年代期間積累的經驗，我們廣泛使用自制的設備，大大降低了鋰離子電池的價格。這些努力促進了中國鋰離子電池產業快速發展，到了2014年，我國鋰離子電池的國際市場占有率躍居全球首位。
復興固態鋰電池
《瞭望》：當前國際上對固態鋰電池的研究情況如何，已經有了哪些突破？
陳立泉：許多新興的產品迫切需要比現有鋰電池能量密度更高的電池。目前市面上大多數商用鋰電池的能量密度大約在200～250Wh/kg（瓦時/千克）之間，隨著能量密度的不斷提升，采用有機電解液的液態鋰離子電池在使用過程中可能會起火，甚至爆炸，而固態鋰電池可以避免這一風險，而且能量密度可提高到300Wh/kg以上。因此固態鋰電池被廣泛認可為最有前景的技術之一。
2013年以后，固態鋰電池的研發進展逐漸加快。全球發達經濟體紛紛制定固態鋰電池相關發展戰略，實施重大科技項目，吸引大量研發團隊和企業投入其中。例如，日本于2008年提出2030年實現全固態鋰電池量產規劃。2018年開始，日本新能源與工業技術發展機構（NEDO）安排兩期項目用于電動汽車固態鋰電池研發，由豐田牽頭38家單位共同參與。2023年7月，豐田宣布固態鋰電池有望在2027年實現量產。
《瞭望》：在固態鋰電池研究領域，我們已經做了哪些工作？
陳立泉：我們較早地開始了固態鋰電池的研究。1980年，物理所成立了固態離子學實驗室，這是中國第一個該領域的實驗室，為研究提供了基礎保障。1987年，第一個863計劃將固態鋰電池列為重點課題。20世紀90年代，我們進行了固態鋰電池相關材料的研究，例如研究了新型固溶體離子導體、非晶態超離子導體、聚合物離子導體和復合離子導體等，此外還研發出了電池充放電設備等。
目前，我國在固態電池領域已走在世界前列。2023年，我們團隊發展的聚合物和氧化物復合電解質的原位固態化電池，能量密度達到了量產動力電池中的全球最高水平（360Wh/kg），已實現GWh級的規模化量產，支持電動汽車單次充電續航超1000km，為量產動力電池能量密度的最高水平，同時實現了223MWh的儲能電池并網應用。
原位固態化鋰電池和目前市場上廣泛使用的液態鋰電池相比，具有獨特的優勢和性能，能量密度能達到300～500Wh/kg，是目前國際上最先進的新能源電池之一。
利用原位固態化技術生產電池的工藝能兼容目前絕大部分的液態電池的生產工藝，對我國目前已經相對成熟的液態鋰電池產業沖擊較小。原位固態化電池具備更高能量密度、更高安全性，大規模量產后全生命周期成本較低，具有更加廣泛的應用領域，如低空經濟、電動船舶、長續航新能源汽車、儲能和消費類電子等領域。
《瞭望》：邁向全固態鋰電池的發展路線是什么？
陳立泉：我國固態鋰電池的發展路線是先從液態鋰電池開始，經過原位固態技術逐步固態化，最終實現全固態鋰電池。
全固態電池能量密度可達到500Wh/kg以上，適合對能量密度及安全性要求更高的一些領域，如航空航天、高端消費類等領域。由于系列關鍵材料和工藝裝備等核心技術未突破，部分材料和部分電池生產設備基本屬于空白，我國實現大規模量產全固態鋰電池還面臨挑戰。
需要對全固態鋰電池的固固界面原子級接觸、多尺度熱－電－力耦合等系列基礎科學問題進行深入系統的研究，這些基礎問題是成功開發全固態鋰電池的關鍵。
例如，研制固態鋰電池的關鍵問題之一是開發一種適用的電解質材料，長時間的研究表明通過開發聚合物/氧化物復合材料，可能會滿足固態電池綜合性能的需求條件。
除需要解決科學技術問題，固態鋰電池的開發是一項系統工程，產學研需要加速融合。我國目前電池規劃產能與實際產能均顯著超過了增長需求，高端產能不足，企業整體利潤率下降，原位固態化電池技術路線能兼容目前液態鋰電池大部分的產線，為現有鋰電池產業注入新質生產力，從而幫助企業提高產品競爭力。
升級回收技術實現可持續發展
《瞭望》：當前對退役動力電池進行有效回收利用的情況如何？還有哪些瓶頸技術需要突破？
陳立泉：汽車動力電池的平均使用壽命為5～8年，國內早期推廣的新能源汽車動力電池將陸續進入報廢期，動力電池將迎來大規模退役潮。如果不能完全回收這些動力電池，會造成環境污染，也將導致鋰、鎳、鈷、銅、石墨等資源浪費。
當前，亟須提高電池回收技術并完善相關政策，以實現鋰資源的高效利用和可持續發展。我國鋰電池拆解回收路線是以濕法冶金為主、其他路線并存。然而，濕法冶金處理過程中，由于強酸浸出劑、化學萃取劑的使用，使得電池回收過程存在潛在威脅，浸出過程中副產物的生成，對于生產操作者也造成安全隱患。
同時，現有的生產工藝下，動力電池的回收產物以有價金屬鹽為主，企業利潤來源于退役電池和可回收貴重金屬的差價，出于技術成本和盈利的考慮，具有較低回收經濟價值的磷酸鐵鋰、錳酸鋰等回收熱度較低。因此，動力電池回收技術亟須升級，以實現電池全組分回收技術、全流程污染控制技術、綠色回收技術及產品高值化技術的研發和升級，進而推動形成可持續發展生態。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池
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