淺談鋰離子電池面臨的四個重大挑戰(zhàn)

4月2日，在中國電動汽車百人會上，中國科學(xué)院院士孫世剛表示，現(xiàn)有鋰離子電池面臨著四個重大挑戰(zhàn)：一、鋰等資源嚴(yán)重限制其規(guī)模儲能應(yīng)用。目前，我國70%的鋰依賴進(jìn)口，亟需發(fā)展新的材料體系；二、能量密度接近理論極限，鋰離子電池遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展重大需求，限制了多場景應(yīng)用；三、安全事故頻發(fā)，2021年我國新能源汽車起火約3000起，新能源汽車起火事故率為0.9-1.2/萬輛；四、極端環(huán)境的適應(yīng)性不足，特別是在水下深海探測、升空探測等極端環(huán)境下，都需要更好的適應(yīng)性。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，目前中國在動力電池行業(yè)內(nèi)的地位全球領(lǐng)先，國內(nèi)存在一大批實(shí)際強(qiáng)大的動力電池企業(yè)，包括寧德時代、比亞迪、中創(chuàng)新航、國軒高科、欣旺達(dá)、孚能科技等等。其中，寧德時代是全球市場份額第一的動力電池企業(yè)。根據(jù)韓國市場調(diào)研機(jī)構(gòu)SNE Research公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，寧德時代在2022年獨(dú)占全球37%的動力電池市場以及國內(nèi)接近一半的動力電池市場。

以下內(nèi)容為中國科學(xué)院院士孫世剛先生演講全文：

大家好！謝謝秘書長的介紹。我今天講的題目是汽車動力電池的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新發(fā)展。我想從動力電池和燃料電池兩個方面講講挑戰(zhàn)性的問題和我們怎么來創(chuàng)新發(fā)展。 ? 新能源汽車有幾個方面的功能，一個是解決我們對原油的依賴，因?yàn)檫^去三年原油依存度超過70%，這是一個國家的安全底線，所要拓展能源，解決我們對它的依賴。電動車可以解決對石油的依賴，減少排放，高效利用可再生能源。我們一方面生產(chǎn)燃料，比如電解水制氫；另一方面，通過電池驅(qū)動新能源車，燃料電池用于大巴士的重卡，動力電池用于小型的車，乘用車為主。我們這些年的發(fā)展非?？?，這兩天大家談到我國新能源車是發(fā)展最快的，現(xiàn)在保有量已經(jīng)超過1300萬輛，預(yù)計往后會到1億輛以上，這是一個很快的發(fā)展。燃料電池相對慢一點(diǎn)，現(xiàn)在保有量是13000多輛，但是發(fā)展規(guī)劃還是很快的，到2050年達(dá)到10萬車輛，發(fā)展過程中也制定了一些停產(chǎn)停售燃油車的時間表，用電動車來替代。

? 在這些年的發(fā)展中，特別是高速發(fā)展的新能源車，對電池的能量密度、功率密度、安全性、長壽命、低成本等都提出了全方位的要求。我們國家也面臨國際的競爭，這些年從日本、美國、英國、歐盟都提出了一些動力電池的國家計劃，我們國家在科技部也部署了十三五、十四五相關(guān)的重大專項，包含了電池和燃料電池的發(fā)展。從這個角度來看，西方還是要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，希望在源頭上能夠進(jìn)一步布局，搶占制高點(diǎn)。我們國家應(yīng)該在加強(qiáng)基礎(chǔ)研究方面要發(fā)力，我特別強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究方面，這樣才能從源頭上解決科技自立自強(qiáng)，希望能夠主導(dǎo)新一代電池的發(fā)展。

? 從現(xiàn)有動力電池挑戰(zhàn)來講，第一就是資源，我們鋰的提取有一定的難度，包括鎂鋰比較高，氣候也比較惡劣，雖然我們鋰電池的產(chǎn)量世界第一，但是鋰的資源70%是進(jìn)口，這也是一個很大的依賴。另外，如果從能量密度來分析，也接近極限，我們現(xiàn)在很多應(yīng)用場景，希望有更長的續(xù)駛里程。在安全上也是不可避免的，舉個例子，比如電動車行使過程中，工況是隨時變化的，電壓、電流、功率速度都在變化，這個變化給我們的材料和界面帶來很多的沖擊，就會帶來損害，導(dǎo)致事故發(fā)生，也是需要解決的。還有一個是使用環(huán)境，特別是現(xiàn)在一些深海探測、深空探測，都需要有更好的適應(yīng)性。需要我們從材料角度、從界面的角度，都要解決一些關(guān)鍵的科學(xué)問題，從系統(tǒng)的幾個層次來開展相應(yīng)的技術(shù)研究。從新材料、新機(jī)制和新體系三個方面來開展原創(chuàng)性的研究，這方面我們有些布局，比如前幾年推動的在國家設(shè)立重大技術(shù)研究的科學(xué)計劃，經(jīng)過幾年的發(fā)展，去年已經(jīng)立項，今年開始發(fā)布指南。

? 在電池體系里，我們最核心的還是材料，從現(xiàn)在材料到將來的材料，一步一步發(fā)展，最核心的是鋰金屬問題，用鋰金屬作為負(fù)極，高壓高比容量材料作為正極，不可避免帶來一些安全性的問題，首先是在鋰負(fù)極的保護(hù)方面，通過構(gòu)建人工SEI膜，最核心的還是要抑制鋰枝晶生長，能夠找到相應(yīng)的添加劑，有效的解決問題。

? 從提升電池的動力性能來看，材料結(jié)構(gòu)非常重要，舉個例子，我們對同樣的材料，調(diào)控層狀正極材料的表面結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化鋰離子傳輸過程，顯著提升鋰離子電池的能量密度和功率密度。另外，強(qiáng)化離子電池中“三傳”過程，包括鋰離子傳輸通道、電子傳輸通道、電池?zé)醾鞒龅?，這些方面都是提升電池安全性性能。 ?

燃料電池其實(shí)是一個小型“化工廠”，是非常復(fù)雜的，包含了三相界面、四類傳輸通道。還包括跨尺度、多相界面、多通道傳輸、多場耦合。這里面有兩個方面的問題需要考慮，第一個就是氫氣的來源，從成本來看，目前電解水的成本是最高的，雜質(zhì)比較少，工業(yè)上存在大量廉價的重整氫、副產(chǎn)氫，因含有毒化物種，無法使用。因此要發(fā)展陽極抗毒化催化劑，我們只讓氫氣到達(dá)反應(yīng)界面，阻擋其他物質(zhì)。我們這個方面怎么做？如構(gòu)筑分子選擇性通道，只讓氫氣能夠達(dá)到反應(yīng)位點(diǎn)進(jìn)行反應(yīng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)有效抗毒化，這是一個方向。另外一個方向，氫氧燃料電池，對催化劑的要求是高催化活性、高穩(wěn)定性、長壽命，目前只有鉑族金屬可以用，但鉑族金屬資源少，價格也是比較昂貴的。當(dāng)前鉑基催化劑被少數(shù)幾家國際公司所壟斷，比如莊信萬豐、優(yōu)美科等等，要適應(yīng)我國的燃料電池汽車工業(yè)的快速發(fā)展，研發(fā)催化活性和穩(wěn)定性更高的催化劑并實(shí)現(xiàn)商品化應(yīng)用是關(guān)鍵，希望我國的催化劑產(chǎn)業(yè)要跟上，如果不解決這個問題，大規(guī)模發(fā)展是不可能的。

? 燃料電池催化劑研究前沿，一是提高鉑金屬利用率，另一個是開發(fā)非貴金屬催化劑。目前最有前景的非貴金屬催化劑是熱解型M/N/C材料，活性目前是最好的，穩(wěn)定性也是最好的。這有幾個方面的關(guān)注，活性位點(diǎn)局域電子結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)是怎樣的？活性怎么樣？這是一個焦點(diǎn)，我們有更好的調(diào)控，得到更好的活性。在這個里面，涉及到三相反應(yīng)界面，氧氣、電子、離子傳輸，所以傳輸管理也是非常重要的方面，要通過各方面的構(gòu)筑。第三就是在原子分子的過程強(qiáng)化，需要加強(qiáng)過程。通過這樣的發(fā)展，可以不斷提升非貴金屬催化劑燃料電池功率密度。

? 最后做一個總結(jié)，我們國家的新能源汽車擁有量超過1300萬輛，占世界新能源汽車總量的一半以上，在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)下，這個發(fā)展速度還會更快。這樣的需求對于動力電池、燃料電池，提出了越來越高的要求，這是全方位的，對能量密度、功率密度、安全性、使用壽命、極端環(huán)境適用性和降低成本等方面都有更高的要求，所以我們在這個方面需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研究。不光是解決瓶頸卡脖子技術(shù)問題，要從源頭上來實(shí)現(xiàn)超越，從這個方面推進(jìn)我們國家自立自強(qiáng)的根基，希望能夠通過這樣的努力，能夠主導(dǎo)下一代動力電池、燃料電池的發(fā)展，我的報告就到這里，謝謝大家！ ?

編輯：黃飛

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