9月7日，在2022第四屆全球新能源與智能汽車供應鏈創(chuàng)新大會上，中國科學院物理研究所研究員黃學杰表示，第二代大家都知道磷酸鐵鋰和三元是目前的主流動力電池，高質(zhì)量發(fā)展需要升級，我會講鐵鋰電池的升級型，即5V的尖晶石型鎳錳酸鋰電池，還有三元的升級型、1000Wh/L的高密度高端動力電池。

以下是中國科學院物理研究所研究員黃學杰的演講實錄：

感謝中國電動汽車百人會的邀請，有機會在這兒來和大家分享基于材料革新的下一代動力電池的情況，因為這是一個命題報告，我將會按照要求把這個下一代電池觀點跟大家分享。

主要是介紹第三代電池是什么，第二代大家都知道磷酸鐵鋰和三元是目前的主流動力電池，高質(zhì)量發(fā)展需要升級，我會講鐵鋰電池的升級型，即5V的尖晶石型鎳錳酸鋰電池，還有三元的升級型、1000Wh/L的高密度高端動力電池。

為什么它們是下一代？這一代我剛才講的是磷酸鐵鋰和三元電池，第它們之上的一代是錳酸鋰電池，當然現(xiàn)在只能用在兩輪車上了，是因為當年的老聆風（Leaf）賣得再好，也只有200多公里的續(xù)航里程。今天的鐵鋰和三元電池基本上解決了電動車里程焦慮問題，所以電動汽車的滲透率很快到了20%以上。

在電動汽車和動力電池的會議上我總會致敬Goodenough教授和Armand教授這兩位老先生，一位提出了磷酸鐵鋰可作為正極材料，一位是在磷酸鐵鋰上包覆碳，不管因為什么原因，至今磷酸鐵鋰材料和電池99%都在中國生產(chǎn)，支撐了我們當年從大車、小車同步發(fā)展電動車輛的路線，到今天為我國在電動汽車產(chǎn)業(yè)，乃至在儲能產(chǎn)業(yè)奠定了相當?shù)膬?yōu)勢。

三元材料電池適用于長里程的電動汽車，大家期待它可變得更長，但是不希望它不安全，也不想接受電池非常之貴得現(xiàn)狀，這個時候我們該做些什么？要給它進行升級。升級有兩條路線，一條路線是升電壓，同時也是降成本的方式。一條路線是升容量，大多數(shù)情況下是增成本，但是我考慮三代電池高端的也必須降成本。

對電池產(chǎn)品來說不是說我們提高了5%，提高了10%，就算得上換了一代。我認為一代對一代的改進，如果不是性能倍增，那也應該是50%能量密度的提升，也還要有百分之幾十成本的下降，這才能叫代際的變革，否則不是，那同一代里面的漸變優(yōu)化。

其實今天大家常說的能量密度都是在講比能量量，就是單位重量電池里面儲存的能量，現(xiàn)在做到什么水平呢？三元電池最高做到300Wh/kg，磷酸鐵鋰電池好的也做到200Wh/kg。

對于今天的電動乘用車，要真正回到談能量密度即單位體積的能量了，下一代電池重要的指標是能量密度50%以上的提升。這種提升不是說加一點錳，加一點鐵錳鋰，加一點鎳，或者加減一點鈷能夠做到的，這事要基于材料的變革。鐵鋰電池是高安全、成本低，對資源的占用率低，我們能不能把鐵鋰電池代表的普及型電動車輛電池能量密度提高50%，同時讓它更安全，成本更低?；A(chǔ)材料就是鎳錳酸鋰，1公斤碳酸鋰來做第一代錳酸鋰電池，差不多能做1.7千瓦時，做三元電池電量還少一點，做磷酸鐵鋰能夠做2.1千瓦時，所以磷酸鐵鋰便宜，不僅僅是鐵便宜，碳酸鋰每個千瓦時用碳酸鋰得也少。但是如果做鎳錳酸鋰電池，1公斤的碳酸鋰能夠做2.95千瓦時，這大幅度減少了碳酸鋰的用量，對資源利用率是有價值的。當然，還有無鈷低鎳在分子式上是能夠看到的。

挑戰(zhàn)是什么呢？必須充電到4.9V，不像鐵鋰充到3.65V，也不是三元充到4.2V或者4.3V。電壓高了自然有更高的能，如用同樣的水提高水頭可以發(fā)出更多的電，但是修三峽大壩的難度比葛洲壩是大幅度增加了，水泥不一樣了，砂漿也一樣了，石頭的要求可能都不一樣，這里面要做的改進很多。

今天基于材料技術(shù)的進步，解決了正極材料本身上的穩(wěn)定性問題，它充到4.9V，即使是在55度的情況下，循環(huán)性能也勝過今天某典型三元材料。但如同修三峽大壩，光石頭好也不行，水泥、砂漿等也得好，粘接劑、導電的添加劑，乃至集流體表面處理，都得要滿足這個高壓充電的要求，這才能夠承受更高的電壓。

這件事情做成了，我們就能夠用更少的鋰來做出單位體積容量增加50%的軟包電池，，這樣的電池能夠循環(huán)3000次以上。同時，保持了高安全性能、優(yōu)越的低溫性能，它的低溫性能可以跟錳酸鋰相媲美，這是也一個重要的性能。

今天在位于珠三角松山湖材料實驗室建成的材料中試線和電芯中試線，是在推圓柱形、軟包形、方殼形三款電芯，正與同行一起，一起做測試看一看它能不能夠成為我們電池車輛的下一電池代。這是我們分別運行的分別位于實驗室兩個園區(qū)兩個基地，一個是材料的研發(fā)和中試基地，一個是電池的研發(fā)和中試基地。

我想接著大家可能會問，三元電池有沒有升級版？剛才我講的鎳錳酸鋰電池可做到650Wh/L，也比今天的三元動力電池高不了多少，三元如何能把能量密度提升50%呢？即提升到1000Wh/L。2019年開始，科技部在變革性技術(shù)專項中布局了一項高體積能量密度的電池項目，?；诓牧系淖兏?，不再以Wh/kg作為指標，包括正極材料指標是以Wh/L為單位，不再是以mAh/g作為指標，負極材料是以Ah/L作為指標，也不再以mAh/g作為它的目標，項目正在執(zhí)行過程中。

已取得什么結(jié)果呢？跟大家先匯報一部分。

第一，基于層狀的以鎳為主的材料，比容量很高，怎么樣把它的密度提高，把它做成致密的材料？請看這個材料能量密度已經(jīng)超過3000Wh/L（相對于金屬鋰）。第二，要對它進行致密化的處理，因為這樣的材料是沒法做成單晶的。大家知道，鎳811很難做成單晶，鎳90幾乎不可能做成單晶，而我們的辦法，就是把納米一次離子聚集的多晶做成致密性的二次球材料，做把它穩(wěn)定下來。當然這個材料技術(shù)也用到現(xiàn)狀三元體系中。

另外用什么樣的辦法讓負極材料有更高的密度？可以把合金化儲鋰的材料，比如說硅、錫裝到銅的皮囊里面去，這個時候就能夠增加它的密度，在維持良好循環(huán)性能的情況下，同時保持高密度。之間導電的鏈接=可用錫線把它串起來，錫是一種比硅的密度高約兩倍多的材料，我們這個時候考慮更多的是采用一些高密度的材料，作為它的電極。當然，現(xiàn)在這些階段性成果也用在今天的二代電池里面，現(xiàn)在也有人在二代電池里面開始用它。該項目目標是出1000Wh/L的動力電池，去年中期做到750Wh/L，今年底大概做到850~900Wh/L，到2024年有望達到1000Wh/L。

這些都不是一家單位能做成的，過去是我們自己努力，現(xiàn)在是邀請同行單位一起努力，所以我們在松山湖建了能源材料與器件的創(chuàng)新工廠，與不少企業(yè)同行進行合作，他們都是我們的下一代電池合作伙伴。這種合作機制對整車企業(yè)、電池企業(yè)、材料企業(yè)都是開放的，這個也是作為公共性的材料實驗室的一部分對社會開放公共資源的重要嘗試，歡迎大家有機會到松山湖來指導，我們一起努力看看能不能夠在三代材料突破并走向動力電池產(chǎn)業(yè)化的過程中合作做一些事情。我們工廠有專門的服務體系，我們也盡可能提供相應的支持。

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