鋰離子電池領(lǐng)域中國(guó)實(shí)力幾何？

2019年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位鋰離子電池領(lǐng)域的先驅(qū)者：美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的約翰·古迪納夫(John Goodenough)教授、美國(guó)紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校的斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittlingham)教授以及日本旭化成公司的吉野彰(Akira Yoshino)先生。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，鋰離子電池能量密度的提升速度已明顯放緩，并逐漸接近理論極限。與此同時(shí)，固態(tài)電池、鈉離子電池、鋰硫電池、燃料電池等新型儲(chǔ)電和發(fā)電體系快速發(fā)展，開(kāi)始為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供更多選項(xiàng)。

在此次由《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review, NSR)編委成會(huì)明主持的論壇中，幾位電池領(lǐng)域的專家充分探討了鋰離子電池面臨的瓶頸和發(fā)展方向，分析和暢想了下一代電池的前景與應(yīng)用，并對(duì)我國(guó)電池研究與產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理。

鋰離子電池：極限未至

成會(huì)明：

有觀點(diǎn)認(rèn)為，鋰離子電池的發(fā)展已接近極限，大家認(rèn)同這種說(shuō)法嗎?

李泓：

我個(gè)人不認(rèn)同這種看法。鋰離子電池的性能包括多個(gè)方面：質(zhì)量能量密度、體積能量密度、循環(huán)性、充放電速率、高低溫適應(yīng)性、安全性等。在這些性能中，只有質(zhì)量能量密度和體積能量密度存在可以定量的理論極限。

僅以這兩個(gè)指標(biāo)而論，我認(rèn)為也至少還需要十年的研究，才有可能達(dá)到極限。具體來(lái)說(shuō)，鋰離子電池的正極材料目前主要有四大類：鈷酸鋰(LiCoO2)、三元材料(Li(NiCoMn)O2)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和錳酸鋰(LiMn2O4)。

其中磷酸鐵鋰和錳酸鋰的實(shí)際能量密度已經(jīng)接近理論極限，而鈷酸鋰和三元材料還有發(fā)展空間。

鈷酸鋰和三元材料的理論容量極限是274 mAh/g，而目前已經(jīng)達(dá)到的最高水平分別在205 mAh/g和210 mAh/g左右。通過(guò)優(yōu)化，比如開(kāi)發(fā)高鎳、低鈷或者無(wú)鈷的三元材料，還可以進(jìn)一步提升性能、降低成本。

在這四大類之外，還有富鋰錳基正極材料，如xLiMO2-(1-x)Li2MnO3等。它的理論容量極限更高，在x=0時(shí)可以達(dá)到480 mAh/g。北京大學(xué)夏定國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果已達(dá)到400 mAh/g，在工業(yè)上則可以做到300 mAh/g，都還可以進(jìn)一步提升。

負(fù)極也同樣還有發(fā)展空間。目前常用的是石墨負(fù)極，此外還有硅負(fù)極、納米硅碳負(fù)極等。眾所周知，硅負(fù)極的理論容量很高，可以達(dá)到4200 mAh/g，但它存在一個(gè)主要問(wèn)題，就是體積膨脹較大。如果能適度控制體積膨脹，硅負(fù)極將進(jìn)一步發(fā)展并獲得更多的實(shí)際應(yīng)用。

此外，如果開(kāi)發(fā)出含鋰的負(fù)極，那么正極就可以不含鋰，正極材料的選擇范圍就會(huì)更寬，又可以創(chuàng)造出新的發(fā)展空間。

對(duì)于鋰離子電池的其他指標(biāo)，如循環(huán)性、充放電動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、高低溫適應(yīng)性、安全性等，我們或者還不知道極限在哪里，或者現(xiàn)有水平距離極限還十分遙遠(yuǎn)，所以更不能說(shuō)已經(jīng)接近極限。

總之，鋰離子電池是一個(gè)開(kāi)放可拓展的體系，我們可以不斷探索和優(yōu)化新的材料、電極設(shè)計(jì)和加工工藝，從而不斷提升它的能量密度和其它各項(xiàng)性能。這其中需要解決的問(wèn)題還有很多，仍需要?jiǎng)?chuàng)造性的深入細(xì)致的研究。

陳軍：

鋰離子電池是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的體系，主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜構(gòu)成。其中部分商業(yè)化的正負(fù)極活性材料，如鈷酸鋰正極、石墨負(fù)極等在容量、倍率性能等方面都已接近發(fā)展極限。但隨著新型電極材料的開(kāi)發(fā)和發(fā)展，材料的更新?lián)Q代將為鋰離子電池提供更大的發(fā)展空間。

目前，鋰離子電池發(fā)展的主要方向是正極、負(fù)極材料容量的提升和電池綜合性能的提高。其中，決定電池容量等性能的高容量正極是核心，與之相匹配的負(fù)極、電解液及電池制備工藝技術(shù)是關(guān)鍵。

綜合來(lái)看，近期的具體目標(biāo)應(yīng)該是：能量密度達(dá)到300~350 Wh/kg、較快速的充放電、滿足-30~60℃的使用要求、常溫循環(huán)壽命超過(guò)1500次、成本0.6元/Wh(Pack)。

孫世剛：

多年以來(lái)，鈷酸鋰、三元材料等體系不斷發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是應(yīng)該注意到，在這些體系逐漸接近極限的過(guò)程中，其性能提高的速度其實(shí)是越來(lái)越慢的，也就是說(shuō)，我們遇到的問(wèn)題是越來(lái)越難的。

要解決目前面臨的問(wèn)題，我們或許應(yīng)該回過(guò)頭來(lái)，重新對(duì)這些體系中的基本科學(xué)問(wèn)題和科學(xué)規(guī)律進(jìn)行梳理和研究。如果能夠更好地用數(shù)學(xué)、物理模型來(lái)描述電池的運(yùn)行機(jī)制，將有助于我們解決這些問(wèn)題，進(jìn)一步接近極限。

同時(shí)在工業(yè)上，電池是一個(gè)系統(tǒng)性的產(chǎn)品。有了更好的基本理論，就可以更好地預(yù)測(cè)能量密度的提升會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，包括電池的其他性能以及電池的成本，帶來(lái)怎樣的影響。

成會(huì)明：

我也同意鋰離子電池還有很多發(fā)展和完善的空間。進(jìn)一步的發(fā)展可以從三個(gè)層面來(lái)展開(kāi)：首先，不斷改進(jìn)已有的材料;其次，不斷發(fā)現(xiàn)新的材料;第三，還可以開(kāi)發(fā)新的體系，從傳統(tǒng)的液態(tài)電池，逐漸向半固態(tài)、固態(tài)，甚至其他的電池體系發(fā)展。

鋰離子電池：?jiǎn)栴}與方向

成會(huì)明：

實(shí)驗(yàn)室中的研究成果常常無(wú)法在工業(yè)上順利實(shí)現(xiàn)，所以從工業(yè)應(yīng)用的角度來(lái)看，鋰離子電池的發(fā)展空間還會(huì)更大一些。

張宏立：

確實(shí)如此。從工業(yè)生產(chǎn)角度看，現(xiàn)有體系中還有很多需要解決的實(shí)際問(wèn)題。

首先，是剛才李泓老師提到的硅基負(fù)極的膨脹問(wèn)題。硅基負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中的膨脹會(huì)導(dǎo)致在電池的生命周期中，模組的預(yù)緊力會(huì)越來(lái)越大，如果預(yù)緊力最終突破了模組的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，將會(huì)給產(chǎn)品帶來(lái)災(zāi)難性的后果，這是電動(dòng)汽車(chē)廠商和電池企業(yè)所不希望看到的。

第二，是高鎳三元體系的安全性問(wèn)題。高鎳材料具有很高的能量密度和綜合性能，但是它不如磷酸鐵鋰或低鎳三元材料穩(wěn)定，其安全性是急需解決的重大挑戰(zhàn)。

第三，是磷酸鐵鋰技術(shù)的進(jìn)一步突破。過(guò)去，很多人都認(rèn)為磷酸鐵鋰的性能不夠高，但是作為一種無(wú)鈷的正極材料，磷酸鐵鋰具有低成本、高安全性、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，而且其發(fā)展尚未達(dá)到極限，所以最近它重新得到了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)注。我所在的國(guó)軒高科也從2006年創(chuàng)立之初就布局磷酸鐵鋰，目前已經(jīng)突破了鐵鋰單體電芯200 Wh/kg的技術(shù)水平，并仍在進(jìn)一步探索提升。

第四，我們希望寬溫層電解液能夠有所突破。在實(shí)際工作中，很多客戶要求電池能夠在廣闊的地域中使用，即要求電池在從-40℃到80℃的區(qū)間內(nèi)都具有優(yōu)異的性能，而不是只能適用于低溫或者高溫。從電解液添加劑到溶劑體系都還有很大的進(jìn)步空間。

最后，電池的輔助材料仍需優(yōu)化。除正極、負(fù)極、電解液、隔膜四大主材之外，集流體、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等附屬材料技術(shù)同樣對(duì)電池整體性能的突破非常重要。

李泓：

張?jiān)洪L(zhǎng)提到的幾個(gè)問(wèn)題都非常關(guān)鍵。首先是硅負(fù)極的體積膨脹問(wèn)題。插入鋰離子之后，硅原子的本征體積膨脹是320%，這一點(diǎn)是無(wú)法改變的。所以要控制體積膨脹，通常只能在顆粒層面和電極層面去調(diào)整。

其次是三元材料的安全性。我認(rèn)為從本質(zhì)上講，安全問(wèn)題的發(fā)生是由于液態(tài)電解質(zhì)與正、負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控的結(jié)果。所以，要解決安全性問(wèn)題，關(guān)鍵在于電解質(zhì)的升級(jí)換代，逐漸向固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展。

當(dāng)然，對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)的電池，也可以通過(guò)調(diào)控添加劑和電解質(zhì)組分，或者對(duì)電極材料進(jìn)行表面包覆，來(lái)使電極表面更加穩(wěn)定。

此外我認(rèn)為，對(duì)于三元材料，我們還需要進(jìn)行更系統(tǒng)的機(jī)理研究，需要在分子、顆粒、電極、電芯等各個(gè)層面上，將熱、電、體積變化等因素耦合在一起，做出更清晰的解釋。

此外，張?jiān)洪L(zhǎng)還提到磷酸鐵鋰正極。近年來(lái)磷酸鐵鋰電池技術(shù)的發(fā)展很好，已經(jīng)可以在某些方面與三元材料相匹敵。

下一步的發(fā)展，我想一方面是材料的調(diào)整，比如向磷酸鐵錳鋰發(fā)展，另一方面也要對(duì)其中的科學(xué)問(wèn)題，比如鐵錳比例對(duì)離子輸運(yùn)和動(dòng)力學(xué)的影響做進(jìn)一步的闡明。

預(yù)鋰化、新負(fù)極材料、固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用也會(huì)進(jìn)一步提升磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)性能、安全性和單體的最大容量。

最后是輔助材料。其中，粘結(jié)劑對(duì)于電池的循環(huán)性能有很大影響。電池中粘結(jié)劑的用量較少，所以要對(duì)它進(jìn)行定量的表征分析比較困難，要在真實(shí)體系中研究粘結(jié)劑與活性材料、導(dǎo)電添加劑、集流體、隔膜等的相互作用也很困難。

隨著下一代新型電池的發(fā)展，粘結(jié)劑的形式也可能發(fā)生改變。目前對(duì)它的理論和實(shí)驗(yàn)研究都還相對(duì)較少。

黃云輝：

在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)各種性能進(jìn)行綜合考慮和協(xié)同提升。這其中，安全性以及相關(guān)的熱量管理和電池管理系統(tǒng)都非常重要，但在基礎(chǔ)研究中還沒(méi)有得到足夠的重視。

關(guān)于電池的熱量管理，除了材料本身，還可以通過(guò)輔助手段，借助熱量管理系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，來(lái)調(diào)節(jié)材料所處的實(shí)際溫度環(huán)境，由此來(lái)拓展電池整體的溫度適用范圍。

孫世剛：

電池研究一定要考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，以滿足實(shí)際需求為目標(biāo)開(kāi)展。黃老師剛剛講到的，通過(guò)輔助系統(tǒng)來(lái)拓展電池的溫度極限就是這樣一個(gè)例子，只有充分考慮不限于電池本身的各方面要素，才能讓電池在深空、深海等極端環(huán)境中有效工作。

科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的考慮常常是不一樣的。我們做研究，主要目標(biāo)就是不斷提升能量密度，但是做產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的人需要考慮更多方面，追求綜合性能。所以，我們?cè)诨A(chǔ)研究中，也應(yīng)該更多地考慮需求。

陳軍：

電池的實(shí)驗(yàn)室研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用在研究方法和關(guān)注維度等方面都存在很大差異。另外，我國(guó)高?？蒲薪?jīng)費(fèi)大部分來(lái)源于政府資金資助，極少部分來(lái)源于工業(yè)企業(yè)，有些工業(yè)企業(yè)雖然有自身的研發(fā)機(jī)構(gòu)，但還亟待完善。將高校的優(yōu)勢(shì)和企業(yè)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，也是將來(lái)要重視的工作。

成會(huì)明：

研究的思路和產(chǎn)業(yè)化的思路確實(shí)有很大不同。我想請(qǐng)張?jiān)洪L(zhǎng)講一講，產(chǎn)業(yè)界對(duì)電池技術(shù)的期望是怎樣的?

張宏立：

對(duì)于新的電池技術(shù)方案，產(chǎn)業(yè)界的期望主要有三點(diǎn)，高性能、易制造，以及面向全生命周期的設(shè)計(jì)。

首先是高性能，具體來(lái)講，要有優(yōu)異的電化學(xué)性能、出色的安全性能、好的機(jī)械性能，以及優(yōu)秀的熱學(xué)性能。在工業(yè)界，我們?cè)u(píng)價(jià)產(chǎn)品不是只看單一指標(biāo)，而是圍繞綜合的雷達(dá)圖，來(lái)追求綜合維度上的最優(yōu)解。

其次是易制造。首先，無(wú)論一種材料多么優(yōu)秀，它必須要在工藝上易實(shí)現(xiàn)才能真正用于工業(yè)生產(chǎn)。第二，要成本可接受，除了航天航空等特殊領(lǐng)域，我們的產(chǎn)品一定要追求物美價(jià)廉，盡量降低成本。

第三，我們希望新的技術(shù)最好可以兼容現(xiàn)有的工藝設(shè)備體系，讓已有投資盡量不浪費(fèi)。第四，生產(chǎn)效率要高，要能夠在合適的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造。

此外，一定要面向全生命周期進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，要從設(shè)計(jì)之初就考慮到未來(lái)的梯次利用、資源回收利用等問(wèn)題。

新型電池：安靜生長(zhǎng)

成會(huì)明：

有哪些有潛力的新型電池?

陳軍：

在傳統(tǒng)鋰離子電池基礎(chǔ)上，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，開(kāi)發(fā)有機(jī)正極材料是一個(gè)可能帶來(lái)突破的方向。有機(jī)正極材料容量高、成本低、綠色環(huán)保，可通過(guò)豐富的系統(tǒng)性分子設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)筑電極材料，還有含鋰、無(wú)鋰化合物的靈活組合。

當(dāng)然，目前有機(jī)正極材料還存在一定的挑戰(zhàn)，比如電導(dǎo)率較差、功率密度不高、在有機(jī)電解液中有一定的溶解性等。目前基于有機(jī)正極材料的鋰離子電池尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，但潛力十足。

此外，有潛力的新型充電電池有鈉離子電池、水系電池、鋰硫電池、金屬-空氣電池，其中鈉離子電池、水系電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域有應(yīng)用前景;在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，需要高能量密度的電池，固態(tài)化技術(shù)是一個(gè)重要方向。另外，作為發(fā)電技術(shù)的燃料電池已有較長(zhǎng)的歷史，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

李泓：

我不確定負(fù)極含鋰的電池是否還屬于鋰離子電池，但是不管怎樣界定，將電解質(zhì)從液態(tài)換成固態(tài)都是一個(gè)很有希望的方向。

其次，鈉離子電池很有潛力。它的材料成本很低，各方面性能也都不錯(cuò)，在家庭儲(chǔ)能、規(guī)模儲(chǔ)能、通訊基站、低速電動(dòng)車(chē)等應(yīng)用場(chǎng)景中，有希望部分替代鉛酸電池和鋰離子電池。

當(dāng)然，還有鋁、鎂等其他金屬的離子電池。但是鋁、鎂離子電池的循環(huán)性和動(dòng)力學(xué)性能很差，很難做成可以多次充電的可逆電池，因此我個(gè)人不太看好。

此外，目前還在發(fā)展中的新型電池還有鋰硫電池。如果它的循環(huán)性可以繼續(xù)提高，有望應(yīng)用于無(wú)人機(jī)，或者其他重視質(zhì)量能量密度，但不特別強(qiáng)調(diào)體積能量密度的場(chǎng)景中。

另外還有鋰空氣電池，它的研究更難一些，可以說(shuō)是集中了燃料電池、鋰離子電池和金屬鋰電池的難點(diǎn)，相關(guān)的基礎(chǔ)研究依然處于初步階段，還需要比較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)發(fā)展。

黃云輝：

鈉離子電池確實(shí)很有希望，但在走向產(chǎn)業(yè)化之前，它也面臨很多問(wèn)題。

首先，我們還沒(méi)有真正了解哪些正、負(fù)極材料可以產(chǎn)業(yè)化。其次，雖然它的資源成本很低，但在產(chǎn)業(yè)化之前，鈉離子電池的整體成本并不低。

尤其是在目前鋰離子電池的成本已經(jīng)相當(dāng)?shù)偷那闆r下，鈉離子電池如何降低成本到足以部分替代鋰離子電池的程度，還是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

鋰硫電池也是一樣，相關(guān)研究很多，在合適的場(chǎng)景中也有很好的應(yīng)用前景，但是對(duì)于它所固有的缺陷，我們還必須想辦法改進(jìn)。比如，如何降低它的電解液用量以減小體積、如何提高安全性等。

孫世剛：

這些新型電池主要是兩類，一類是離子電池，包括鈉離子電池、鎂離子電池等。第二類是金屬電池，包括鋰硫電池、鋰空氣電池等。

其中金屬電池的挑戰(zhàn)性更大，在具備高能量密度的同時(shí)也面臨很多問(wèn)題，比如安全性和循環(huán)性不夠好。而我認(rèn)為，由于我們對(duì)其中的基礎(chǔ)過(guò)程理解不到位，所以很多目前的研究思路都不是根本性的思路。

舉例來(lái)講，對(duì)于鋰金屬表面長(zhǎng)枝晶的問(wèn)題，我們現(xiàn)在常用人工保護(hù)膜等物理方法來(lái)改善。但是我認(rèn)為，枝晶生長(zhǎng)的本質(zhì)是一個(gè)溶解和結(jié)晶的電化學(xué)過(guò)程，去控制成核生長(zhǎng)過(guò)程才是最根本的方法。

當(dāng)然，要控制鋰金屬的結(jié)晶難度很大，還需要進(jìn)一步研究鋰金屬負(fù)極在不同電解液中的溶解和結(jié)晶規(guī)律，從根本上找到解決方法。

所以我還是要強(qiáng)調(diào)，在開(kāi)發(fā)新體系的過(guò)程中，基礎(chǔ)研究非常重要。

張宏立：

對(duì)于各種新型電池體系，我們產(chǎn)業(yè)界也非常關(guān)心。當(dāng)然，大多數(shù)新技術(shù)距離產(chǎn)業(yè)化還有比較遠(yuǎn)的距離，其中進(jìn)展相對(duì)較快的可能還是半固態(tài)電池，我們希望能在這方面有所突破，之后再逐漸實(shí)現(xiàn)全固態(tài)。

我很認(rèn)同我們公司董事長(zhǎng)的一個(gè)提法，他認(rèn)為，電池技術(shù)的進(jìn)步50%依賴于材料科學(xué)的進(jìn)步，30%依賴于電池制造技術(shù)的進(jìn)步，另外20%依賴于產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)步。

這其中最重要的是材料技術(shù)的突破。在這方面，我們公司投入了非常多的精力，并與全球的高校和科研機(jī)構(gòu)積極合作。如果在實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)了基礎(chǔ)性的重大突破，我們希望能盡快將其轉(zhuǎn)化為顛覆性的電池產(chǎn)品。

電池的制造技術(shù)包括電芯、模組和電池包的制造。目前，我們的制造技術(shù)還不能完全滿足主機(jī)廠的要求，還需要進(jìn)一步降低成本、提高安全性，并更好地與整車(chē)系統(tǒng)相匹配。

最后是產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比如最近業(yè)界頻繁提到的無(wú)模組技術(shù)，是否能夠真正地將整個(gè)汽車(chē)底盤(pán)做成一體化的大電池，也是努力的方向。

成會(huì)明：

我很贊同大家的觀點(diǎn)。首先，下一代電池能否取得突破，很大程度上取決于基本科學(xué)問(wèn)題能否取得突破。大家剛才提到的幾種新型電池，都已經(jīng)有比較明確的科學(xué)問(wèn)題，可以針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究。

其次，我們的研究應(yīng)該更明確地針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)開(kāi)展。區(qū)分不同的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的電池體系進(jìn)行針對(duì)性的研究，可以加快下一代電池的發(fā)展和應(yīng)用。

天馬行空，超越電化學(xué)

成會(huì)明：

對(duì)于下一代電池，我們可能還缺少一點(diǎn)天馬行空、發(fā)散性的思維。我們需要用創(chuàng)新性思維，來(lái)想象一下未來(lái)可能出現(xiàn)的全新的電池、全新的儲(chǔ)能形式。

孫世剛：

現(xiàn)有的各種儲(chǔ)能模式，主要都是通過(guò)化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。

具體來(lái)講有兩種方式，一種是電容器，將能量?jī)?chǔ)存在界面上，另一種是包括鋰離子電池在內(nèi)的各種電化學(xué)電池，用氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。

除了化學(xué)能，我們或許可以將生物能、物理能、光能、機(jī)械能、熱能等各種形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在電池中，從而獲得突破傳統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能的新的儲(chǔ)能方式。

陳軍：

儲(chǔ)能的目的是突破含能載體的時(shí)空限制，在需要的時(shí)候以特定形式釋放能量，例如以清潔、便捷的電能形式進(jìn)行釋放。而從能量來(lái)源的角度看，解決人類能源危機(jī)的終極方案還應(yīng)該是太陽(yáng)能。

目前的太陽(yáng)能電池已經(jīng)有了很好的基礎(chǔ)和積累，可能的突破點(diǎn)是仿生太陽(yáng)能電池，比如模仿光合作用的電池，不需要消耗低豐度、分布不均的鋰、鈷等資源，直接將光能和二氧化碳、水結(jié)合生成含碳、氫的材料，同時(shí)釋放電能。

另外，對(duì)一些高能化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生能量的控制和利用，也有可能產(chǎn)生新的儲(chǔ)能形式。

李泓：

現(xiàn)有的儲(chǔ)能方式是將能量以電、熱、氫等形式儲(chǔ)存起來(lái)。但不管是哪一種形式，只要是一個(gè)封閉的體系，體系的能量密度就是有限的，總有用盡的時(shí)候。

最近提出了一種新的思路，我們或許可以借鑒生命體，開(kāi)發(fā)出有“新陳代謝”特征的、開(kāi)放的儲(chǔ)能裝置。比如，電鰻可以通過(guò)飲食來(lái)獲取能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能，只要它還活著、還能攝食，電能就可以持續(xù)產(chǎn)生和釋放。

我們也可以開(kāi)發(fā)類似特征的裝置，從外界自主吸收各種能量源，并源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能，這一類裝置可以稱為活體電池(live battery)。例如燃料電池與逆向燃料電池(reverse fuel cell)的組合，可以依賴外界燃料的持續(xù)供給或者借助于太陽(yáng)能發(fā)電而一直運(yùn)行下去。

類似活體電池的研究目前還不多，但已有一些原型性的工作，包括利用有機(jī)反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量，以及納米能源系統(tǒng)方面的一些工作，也就是對(duì)環(huán)境中的機(jī)械能進(jìn)行收集和存儲(chǔ)。這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)開(kāi)放的體系，可以不被傳統(tǒng)電池能量密度極限所制約，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)自主供電。

孫世剛：

這是很好的想法。要將生物、物理等各種方式融合進(jìn)來(lái)，也一定伴隨著材料方面的重大變革，需要將生物材料等各種材料形式融合進(jìn)來(lái)。另外，我們剛才沒(méi)有著重討論的燃料電池也確實(shí)是一種非常重要的新型電池，而且它本身就是一個(gè)開(kāi)放的體系。

黃云輝：

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，燃料電池和鋰電池是兩大方向，而且二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。這二者之間也需要融合發(fā)展。

事實(shí)上，儲(chǔ)能技術(shù)是一個(gè)非常交叉的學(xué)科，涉及到材料、化學(xué)、電氣、智能化制造、信息、機(jī)械甚至生物等各個(gè)領(lǐng)域。最近，教育部、發(fā)改委和能源局聯(lián)合提出設(shè)立儲(chǔ)能技術(shù)專業(yè)，也是希望能夠促進(jìn)學(xué)科融合，培養(yǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域的新型人才，從而推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

期待“中國(guó)標(biāo)簽”

成會(huì)明：

大家如何評(píng)價(jià)我國(guó)的電池研究與產(chǎn)業(yè)水平?

張宏立：

我們做過(guò)國(guó)產(chǎn)電池與日、韓電池的對(duì)標(biāo)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，就單體電池而言，國(guó)產(chǎn)單體與日韓單體的差異不大，在某些指標(biāo)上，國(guó)產(chǎn)的甚至更領(lǐng)先一些。但是，在制造層面上，國(guó)產(chǎn)電池成品的一致性、良品率顯著低于日韓電池。

這些差距來(lái)源于設(shè)備、人員、控制體系、管理規(guī)范等諸多方面的差距，是我們必須承認(rèn)的客觀事實(shí)。

在設(shè)備方面，我們希望我國(guó)自主研發(fā)的優(yōu)質(zhì)核心設(shè)備能進(jìn)一步提高控制精度、穩(wěn)定性和稼動(dòng)率，由此提升電池的整體制造工藝水平。

當(dāng)然，中國(guó)也有自己的優(yōu)勢(shì)。我們擁有資源優(yōu)勢(shì)，而且產(chǎn)業(yè)鏈非常齊備，四大主材以及各種輔材的生產(chǎn)規(guī)模都十分可觀，除滿足國(guó)內(nèi)需求，還可以出口海外。我相信，如果我們能夠充分利用這些優(yōu)勢(shì)，一定可以實(shí)現(xiàn)從電池大國(guó)到電池強(qiáng)國(guó)的演進(jìn)。

成會(huì)明：

您能否具體談?wù)勎覈?guó)四大主材的水平?

張宏立：

首先是正極材料。在磷酸鐵鋰材料上，中國(guó)有自己的特色，在大規(guī)模生產(chǎn)、制造和應(yīng)用上，我們都是世界首位，但要注意，核心專利并不在我們手上。三元正極材料方面，我們與優(yōu)秀外企相比還有一定的差距，材料的一致性、雜質(zhì)控制水平等都還有待提高。

在負(fù)極材料方面，我們的生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用都是世界領(lǐng)先的，幾家頭部企業(yè)占據(jù)了非常大的全球市場(chǎng)份額。不過(guò)，在高性能硅碳負(fù)極制造和應(yīng)用技術(shù)上，我們還落后于日本的公司。

電解液方面，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)量很大，但是核心的電解液配方和添加劑專利大都掌握在歐美或日本人手中。這其中存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

隔膜的情況也類似，我們?cè)诋a(chǎn)量上是絕對(duì)世界第一，占據(jù)了50%以上的全球份額，但是同樣，我們不掌握原始核心專利。

所以整體來(lái)講，我們的電池產(chǎn)業(yè)鏈非常齊備，產(chǎn)量很大，也有具有國(guó)際影響力的龍頭企業(yè)，但在核心專利方面還有欠缺。

李泓：

我國(guó)的專利情況確實(shí)不容樂(lè)觀，以硫化物固態(tài)電池為例，60%的專利都掌握在日本企業(yè)手中。

但是另一方面，下一代的電池需要下一代的專利，所以在下一代電池漸進(jìn)式發(fā)展的過(guò)程中，我們是有機(jī)會(huì)改善現(xiàn)有狀況的。

過(guò)去十幾年中，我國(guó)的多家企業(yè)研究院都積極進(jìn)行新材料的開(kāi)發(fā)，專利數(shù)量也在不斷增長(zhǎng)。高校和研究所也非?；钴S，申請(qǐng)了大量有價(jià)值的基于新技術(shù)的專利。

孫世剛：

在基礎(chǔ)研究方面，我國(guó)的工作很多，也有不少工作在國(guó)際上有影響力。但是，除了吳鋒院士團(tuán)隊(duì)提出的多電子理論等少數(shù)成果之外，很少有能貼上“中國(guó)標(biāo)簽”的重要原創(chuàng)性成果。

過(guò)去一些年中，我國(guó)論文導(dǎo)向的評(píng)價(jià)體系帶來(lái)了一些不利的影響。今后我們應(yīng)該想辦法回歸科研本身，允許有能力、有想法的研究團(tuán)隊(duì)十年磨一劍，真正去解決重要的科學(xué)問(wèn)題，做出原創(chuàng)性的成果。

成會(huì)明：

沒(méi)錯(cuò)，我國(guó)的論文量很大，但是采用計(jì)算與理性設(shè)計(jì)進(jìn)行的研究比較少，多數(shù)研究既不針對(duì)應(yīng)用需求，又沒(méi)有針對(duì)科學(xué)問(wèn)題，只是炒菜式地去合成一個(gè)材料，或者將一種材料與另外一種材料混合，然后測(cè)一測(cè)它的電化學(xué)性能，就寫(xiě)成一篇文章。這個(gè)問(wèn)題是比較嚴(yán)重的。

另外，我們的多數(shù)研究都是著眼于電極材料，而不太關(guān)注輔材和整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。這也是在今后的基礎(chǔ)研究中需要注意的問(wèn)題。

李泓：

在電池領(lǐng)域，中國(guó)發(fā)表的論文數(shù)量占全世界的60%，是絕對(duì)的世界第一。

但是要注意，研究中所使用的高通量計(jì)算方法、原位在線表征方法、數(shù)字模擬仿真方法等都是由西方國(guó)家發(fā)明和主導(dǎo)的方法。也就是說(shuō)，到目前為止，還有很多研究工作是我們不能做、只有國(guó)外科學(xué)家才能做的。

另外，提到研究工作中的理性設(shè)計(jì)，我還想引出一個(gè)問(wèn)題，就是我們能不能進(jìn)行材料的理性設(shè)計(jì)?目前，研究者提出了材料基因組方法，希望將高通量計(jì)算、高通量制備、高通量表征、大數(shù)據(jù)分析等結(jié)合在一起，來(lái)進(jìn)行材料的理性設(shè)計(jì)。

但是實(shí)際上，這種理性設(shè)計(jì)的難度很大，能夠勝任相關(guān)工作的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)也不多。而且就計(jì)算而言，它雖然能夠計(jì)算一些材料的帶隙，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法真正從頭預(yù)測(cè)電極性能，特備是動(dòng)力學(xué)性能，并實(shí)現(xiàn)理性設(shè)計(jì)。

如何集合各學(xué)科的力量，加強(qiáng)更基礎(chǔ)的科學(xué)研究，最終實(shí)現(xiàn)電池材料的理性設(shè)計(jì)，這是需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題。

陳軍：

我們需要增加投入、全面布局，并加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研深度合作。要有一批人靜心科研，專注基礎(chǔ)研究和源頭創(chuàng)新，也要有一批人鉆研技術(shù)，聚焦制備工藝和工匠精神。

只有這樣不斷加強(qiáng)積累、克服急功近利，才會(huì)在電池領(lǐng)域出現(xiàn)更多的中國(guó)標(biāo)簽。

成會(huì)明：

感謝大家的精彩討論!我和大家一樣，相信電池研究和產(chǎn)業(yè)還會(huì)不斷發(fā)展、不斷突破，為人類社會(huì)提供強(qiáng)有力的能源支撐。