續航！續航！續航！電池的儲能技術亟待突破，它已經給我們亮起了紅燈，這是時代的
需求......
如今，鋰離子電池面臨諸多現實挑戰，續航能力有限，能量密度提升已接近上限，鋰離子電池未來何去何從？面對固態電池、鈉離子電池、氫氧燃料電池等電池新勢力，誰才是未來的終極電池？《中國經濟大講堂》特邀中國工程院院士陳立泉，深度解讀《鋰電池如何驅動“電動中國》。
我國鋰電池產業
是如何做到世界第一的？
從2018年全球電動汽車電池企業市場份額的排名情況來看，前10名中排名第一的是寧德時代，第2名是日本的松下公司，第3名是比亞迪，中國有6個鋰電池企業位居動力電池世界市場佔有率前十。寧德時代是37.23%，穩居第一，日本松下公司21.54%，排名第二，比寧德時代差十幾個百分點。
中國鋰離子電池產量為什麼能夠世界第一？
中國鋰電池研究並不晚，幾乎和世界同步。1976年的聖誕節之前，科學院派遣我到西德斯圖加特馬普固體所進修，我很快發現他們全所上下都在研究氮化鋰晶體的性能，我感到很奇怪，為什麼大家對氮化鋰這麼感興趣？當時才知道氮化鋰是一個離子導電的材料，據說是一種叫超離子的導體，可以用來作汽車的電池。
他們的研究所有個開門辦所，有一天對社會開放，他們就把這個氮化鋰，這一個類似於釦子似的小電池擺在桌子上，旁邊放了一個鉛酸電池。我一看，一個鉛酸電池很沉，一個扣式電池很輕。我馬上就給國內所裡打報告，說我要改行，從晶體生長改到新的學科，叫固體離子學。回國以後，科學院非常支持把這個項目給物理所，很快就成立了一個固體離子學實驗室。這是當時國內第一個固體離子學實驗室，也是物理所最小的一個實驗室。我從事的工作就是鋰離子導體和鋰電池研究。
1991年索尼公司宣佈產業化以後，物理所迅速跟進了。當時我們就找了一個投資方，1993年簽訂了一個A型鋰離子電池的研究開發協議。1995年第1塊鋰電池就從中科院物理所誕生了。當時A型鋰離子電池就是“大哥大”的電池。
現在有一種觀點說鋰電池是日本人發明的，中國在鋰電池方面技術不行，只是在應用水平上比較領先。鋰離子電池的發明肯定不是日本人，要不諾貝爾獎怎麼是給兩個美國人和一個日本人。所以說鋰離子電池是日本人發明的這個話不完全對，可以說鋰離子電池是日本人先產業化的，這句話是對的。
我們可以從這張圖看得出來，日本人最早1991年宣佈產業化，市場佔有率是100%，然後一直往下掉，現在還在往下掉。連索尼公司都不做鋰離子電池了，它的鋰離子電池賣給了另外一個公司。韓國人跟中國人是往上走的，到2014年我們中國的動力電池、鋰電市場份額已經超過了日本跟韓國，處於世界的第一位，現在還在往上升。
我們鋰電池技術從目前發展的情況來看是不錯的。實際上是學術界、工程界和產業界的一個合作，是研究院所和大學的通力合作，高度重視原始創新、基礎研究和應用研究緊密結合，加快研究成果的產業化進程。
2019年諾貝爾化學獎的獲得者Goodenough(約翰·古迪納夫)發現了普遍使用的正極材料鈷酸鋰還有磷酸鐵鋰，但這兩種材料都有缺點。鈷酸鋰實際上只能取出0.5摩爾的鋰，而磷酸鐵鋰實際上是個絕緣體，都有缺點。我們想辦法找出它的缺點，然後通過理論計算和試驗相結合進行了改性並且取得了專利權，這個專利權對於我們鋰離子電池的發展起了非常重要的作用。
前幾年比利時的五礦公司要到中國來收鋰離子正極材料知識產權費，據說是一噸要收5萬。做鈷酸鋰三元材料大概一噸的利潤可能也不到5萬，他們就到海淀知識法庭把我們告了，後來中國的做正極材料的企業聯合物理所和他們庭外和解，因為我們有這個專利，所以他們再也沒有提要收專利費的問題。看得出來，不是我們的原創材料，但是我們做了工作，我們也申請了我們的專利，對於保護我們自己的企業是很有好處的。
第二個例子就是磷酸鐵鋰。它是個絕緣體，我們通過理論計算，它是個一維的離子導體，如果說你在鋰位摻上鉻這種大的離子的話，就把這個鋰的通道堵塞了，這樣是不行的，沒法用。後來就有人又提出來一個在鐵位摻鈉。鐵位摻鈉的時候，顏色變黑了，電導率也提高了幾個數量級，它的離子電導率和電子電導率都挺好。所以法國和德國科學家認可這個工作，這是唯一的一條可行的路，打破了國外的原始專利對磷酸鐵鋰材料的壟斷。這樣才有我們現在各鋰電池企業在相當大量地使用磷酸鐵鋰材料，不受國外知識產權的影響。
從這兩個例子可以看得出來，雖然我們沒有做原始創新，但是我們給它改性、再創新了，也是非常重要的。
剛才講的是兩個正極材料，那麼現在我講負極材料，這是我們的原始創新了。清華大學很早就申請了天然石墨做鋰離子電池負極的專利。兩年前，它申請了國家的發明獎，這個發明獎就等於是承認了我們用天然石墨做鋰離子電池的負極是我們的知識產權。光有石墨還不行，石墨的容量是比較低的，372毫安時每克。硅的容量實際上是相當高的，那麼硅能不能夠作為鋰離子電池的負極呢？1999年我就做了這個工作，申請了第一個專利。所以國際上第一個硅作負極的專利是我們申請的，這個是美國人也承認的。但是你要把它用上，還是相當困難的。從幾百毫克到幾百公斤，用了17年的時間，這17年我們走的路從文章變成技術，然後變成產品，變成市場。
我們現在的原材料基本上是已經國產化，進口的量已經相當少，同時我們的設備絕大部分也都是國產化的設備，更不用說員工的技術，現在基本上都是我們自己培養的技術。
如何破解鋰離子電池引發的“焦慮”？
對鋰離子電池最大的“焦慮”就是里程問題。里程問題是指鋰離子電池現在的能量密度還不夠高，充一次電大概行駛里程也就是100多公里、200多公里。
我覺得電動汽車應該把車跟電分開，就是買車和買電池要分開。最好是買一輛電動車，我每天上班，如果是從天安門到清華或者到五環路就可以，可能也就是30公里，那是不是買一輛車能開30公里就行了？不一定非得要開100多公里、200公里，也就是說裝10度電就夠了。那麼車子的錢加上這10度電的電池的錢肯定不會超過10萬元錢，大概五、六萬我就可以買一輛車。但是我要開長途車怎麼辦？能不能我開長途車的時候再去租電池？也就是說要專門成立一個電池的公司。
實際上我是不主張快充的，因為現在鋰離子電池的機理決定了它是插入式反應，就是說你要允許離子能夠有時間把它插進去。 而且現在我們所用的正極材料也好，負極材料也好。負極材料用石墨，石墨是個層狀結構，層狀結構只有離子要對著那個層才能插進去。如果說正好那個石墨跟它離子是垂直的，它進不去，它就要轉一個90度才能進去。所以你要給它一個轉90度的時間，如果說你不給它一個時間，直接快充的話，它轉不過去就會在石墨片上沉積下來，這樣對電池壽命是不利的。同樣，放電的時候，如果特別快地放電，倍率太大了也不行，它也是層狀結構的。一個正級材料它回去也是一樣，它是要找準那個狹縫它才能進去，如果它找不準的話也進不去，也要等著有機會它才能往裡走。所以說我不主張快充，我是最希望換電池的。適當的倍率充是可以，但是特快了不行，換電模式是好，但是做起來相當困難，標準不好統一。這個一定要國家統一來考慮，如果說國家不出臺政策統一考慮的話，那是很難做的。
現在蔚來公司有一種換電的模式，它從北京開到深圳，每開一步它是有地方換電，幾分鐘就可以換完，充電最快是大概一刻鐘，就是喝一杯咖啡的時間。一刻鐘已經是夠快的了，換電的話它幾分鐘就可以換完。因為我最早參觀換電是在清華，清華里頭有一個換電的裝置，車開上去之後就把車給頂起來，換電的裝置都在地底下，很快就把它換掉了。但是這個車一定要標準化，電池一定要標準化。
所以這就要求國家要統一出臺政策，就是換電的政策。我大概一個月以前，在北京打了一個出租車，從圓明園到中關村，我坐的正好是電動汽車。我就問他，這個車跑一天充幾次電，他說我不充電我是換電。我說北京有換電嗎？他說有，北京出租車全部是換電。就是說現在換電他不用管，你開到那兒去，就有人幫你把電換了，他們還是喜歡開電動出租車。所以將來我們解決退補以後，我覺得一個不讓銷路往下滑的很重要的事，就是我們是不是可以再回過來重新考慮換電的模式。
“電動中國”能否破解能源危機？
我們發展電動車不是為發展電動車而發展電動車，實際上是跟我們國家的能源情況密切相關的。到2050年，我國自產石油大概每年1.8億噸是沒問題的，就是說從現在開始到2050年還可以在1.8億噸每年的這個水平。實際上這條紅線就是1.8億噸，去年大概是1.9億噸，石油的對外依存度最好不要超過50%。2017年進口石油是4.2億噸，國產石油1.92億噸，對外依存度到了68.6%，已經遠遠超過50%了。那麼我們的汽車的保有量是2.17億輛，每千人是167輛，世界平均每千人是131輛，我們現在比世界平均水平稍稍高一點，但跟美國的每千人800輛那還差得遠。汽車的油耗，如果說按照一輛車一年平均兩噸油來算的話是4.3億噸油，也就是說，我們進口4.2億噸給汽車用掉了。最近發現了兩個大油田隱藏量是10億噸，這都是作為特大喜訊報的。我問了他們回採率是多少，他說回採率可能低於50%，大概40%。兩個油田的話，也就是說兩年不用進口，但是第三年還要進口，而且不可能老有像這種10億噸的油田被發現。所以從這個可以看得出來，我們的儲油現在只夠40天用，而日本的儲油是200天。我們國家儲油希望能夠是100天，這樣的話，實際上我們最近幾年這個儲油量已經是大大增加了。
另外要考慮全球二氧化碳的排放，因為我們是參加了《巴黎氣候協定》的，中國2010年二氧化碳排放量開始急劇往上升，最近幾年稍稍往下掉一點，然後又往上升了一點。中國的二氧化碳的排放量是世界第一，所以實際上我們受到的壓力是相當大的。《巴黎氣候協定》規定溫度的升高不能高過兩度，這也是大家的希望。因為現在像我們國家的西部那些雪山好像也都開始融化，你看美國排放量比我們低，本來它是第1位，那麼現在我們中國第1位。因為印度現在發展很快，它如果不控制的話肯定要遠超過中國。我們希望交通能夠電動化，小城市是自行車、汽車、公交車，大城市多一個地鐵，城市間現在有高鐵，有飛機、有船舶。我們希望包括高鐵、飛機、船舶都能夠電動化，就是電動汽車、電動飛機、電動船舶，這就要靠鋰電池。
最近瀋陽有一個企業做了一架電動飛機，是兩個座的。但實際上你們從網上看的話，2010年上海一個民營企業已經做了一個電動飛機，也是兩個人的，已經試飛成功。實際上現在電動飛機做得好的是以色列人，現在做九個座位的。所以現在我們除了電動汽車，還要發展電動船舶和電動飛機。實際上現在中國已經有電動船舶了，是在廣州的一個2000噸的電動船，它用的電池的量大概是八十幾輛電動車的電池量，是在珠江運煤做運輸的這個船。在上海也有500噸的這種船，不止一艘，有好幾艘了。另外在溧陽現在已經註冊了一個電動船舶的公司，那是哈理工的李革臣教授註冊的一個公司。有人說電動汽車並不減少二氧化碳的排放，實際上這個電就從電網的電，從發電廠到用戶，它是分高峰電和低谷電。峰電和谷電它的價格不一樣，要鼓勵用谷電。
另外，我們發展太陽能跟風能、水能、核能，這幾種能源對二氧化碳的排放當然是相當少，但是這些能源實際上它都要儲能的。原來我對太陽能沒有什麼印象，我參觀過北京附近的張北我才知道，太陽能實際上更需要儲能。就說一朵烏雲來了以後，把太陽一遮，它的發電突然一下就小了，幾乎就為零了。當這朵烏雲一走，馬上這個電流就上來了，所以它比風電更需要儲能。風電，不管風來風走，我這個風葉還在那兒轉。風來的時候轉得快一點，風走了以後轉得慢一點，所以它不像太陽能那麼厲害。風電、太陽能都需要儲能，所以現在有的地方棄風棄光，還有水力發電的棄水，我們棄風、棄光、棄水大概電量是1100億度電每年，可以夠600萬輛電動汽車用一年。
實際上你只要能夠把儲能搞好了，你不要增加新的發電廠，不要多燒煤，你就把這個谷電用起來就可以了。實際上就是我們要建一個能源互聯網，這個實際上已經提了好幾年了。我買了一輛電動車，我走到哪兒我都能充電，就跟現在自行車一樣，我走到哪兒只要刷一下碼，有自行車在那兒，我就可以騎一輛車走。將來也能夠做到這麼方便，我的汽車沒有電了，我走到哪兒我有一個充電樁，一刷碼我就可以充，或者說換電，這就當然是更不用說了。現在說互聯網的概念還有云存儲的概念，實際上將來都可以把這些概念用在能源上。因為現在能源的話還是條塊分割比較厲害，就是國家電網它也是國家電網有一套，然後各個地方有地方一套。比方說現在是棄風棄光，那麼它可能是為了減少棄風、棄光要各個省市分攤任務，這當然是國家的一種辦法，但是如果能源互聯網真正實現的話，我就可以把新疆的風能、太陽能存儲起來，上網就可以了，別的地方有需要就可以用了，這樣就比較方便。我們現在有的地方電能很便宜，有的地方電能就很貴，如果能夠把新疆的電弄到需要的地方不是挺好嗎？我想能源互聯網就要起這個作用。
誰才是未來的終極電池？
現在的鋰離子電池是液體電解質，那麼能量密度已經基本上到了極限，大概300瓦時每公斤或者350瓦時每公斤，已經到了極限。那麼安全性問題時有發生，由於它一個能量密度有限，一個安全事故會發生，所以這樣我們要考慮固態電池。
固態電池它是什麼呢？現在我們用的是鋰離子電池，更全面一點包括像鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池這些都是液態電解質的電池。固態電池可以做得跟鋰離子電池一樣，只不過把電解液換成是固態。它是固態，就是裡頭不含液態或者液態含的很少。固態電池實際上不是一個新的東西，“六五”計劃、“七五”計劃我們就將固態電池列入重點課題，那麼科技部也是第一個把固態電池這個課題列為重大項目。固態電池的關鍵就是要研究固體電解質材料，固態電池它的負極是用金屬鋰。中間這個電解質是固體，固體電解質不是液體，那麼正極可以用不含鋰的正極材料，也可以用現有的這種正極材料。如果說能夠找出來不含鋰的正極材料，或者說容量更高的，我們就可以做出能量密度更高的固態電池，那麼它的能量密度就可以大於每公斤500瓦時，那麼它安全事故可以大大減小。
實際上固態電池不是說沒有短路的那一天，如果固態電池有短路那一天它會不會燃燒？金屬鋰在空氣裡頭可能起某種反應，但是它的量比較小，它不會爆炸，所以安全性應該說是比現在的鋰離子電池應該要安全。
固態電解質基本上我們中國人沒有原始創新，比較少。既然要發展固態電池，一定要有我們的創新。常見的聚合物的材料就這麼幾種，PEO (聚環氧乙烷)、PP0(聚環氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈)，它們的室溫離子電導率都比較低。最近青島能源所崔光磊做了一些新的工作，他可以室溫下做到10的負4次方西門子每釐米，他的電池也用上了，所以應該說有新的進展。米歇爾·阿芒德聽到崔光磊的報告以後，第二天就給我發個E—MAIL，說看來中國人再一次走到了世界的前列。最近新引進的一位王雪峰博士，物理所把他引回來了，他把鋰離子電池和鋰氧電池混起來，他是用什麼？用硫化鉬作正極，二硫化鉬它可以插鋰進去，也可以插氧進去，形成一個新的化合物。混起來以後，它容量是相當高的。這個工作我們在物理所也申請了專利，所以這是新的一些思路，將來會對固態電池起作用。
所以我希望通過固態電池的發展來使我們國家能從跟跑、並跑一直到領跑。能夠使世界市場佔有率第一位的位置我們能夠保持。
要保持這個第一位地位的位置，我想對目前的鋰離子電池的工作我們不能放鬆，就是有很多創新的工作、創新的成果我們要往產業化走。日本人Kanno(菅野)我很佩服他，他一直堅持固體電解質一直沒放，我覺得日本的這一點我們是值得學習的。我們的固態電池研究工作從鋰離子電池開始就基本上都放掉了、停掉了，但是現在，只是現在我們又回過頭來重新去做。我覺得重新去做也不晚，我們還可以，實際上還可以趕得上，從目前的趨勢來看我們還是有優勢。所以鋰電池的工作，無論是鋰電池也好、固態電池也好、還是液體電解質電池都是應該是有很多工作要鼓勵創新的。除了這個以外，其他電池一定要做，比方說鈉離子電池，你別看現在大家做鋰離子電池都是信心滿滿，但是全世界開的車都用鋰離子電池的話，實際上鋰是不夠的。昨天米歇爾·阿芒德也給了一個數據，就是說全世界10%的電動汽車都用電池來開的話，它大概需要多少電池 ？60多億噸還是多少，量是相當大的。這樣的情況下，一定要發展像鈉離子電池這一類資源比較豐富的電池。另外鋁離子電池、鎂離子電池或者是鋅離子電池這些實際上也應該做的，特別是有些工作是我們有優勢，是我們在先的。
鈉離子電池是我們有優勢，第一輛低速電動車是我們演示的，第一個100千瓦的電站是我們演示的，然後就像鋅離子電池的專利，人家也承認是中國的首先的專利。現在我們正在做鋰的或者鎂的固態電池，我覺得這些東西的話大家都是從頭做起，我覺得是我們只要抓住時機能夠不放棄，應該說是有機會走到世界前頭的。
氫氧燃料電池不是電池，它實際上是個發電裝置。就是說你有了氫了，我通過它加上氧我可以發電、產生電，它是個發電裝置，不是電池。但是氫氧燃料電池我們一定要研究。氫它沒有礦，它不像鋰，鋰有鋰礦。中國的這個鋰的資源雖然是沒有南美洲那麼多，但是我們還算是鋰資源比較豐富的國家，但是氫你沒有。你將來氫從哪兒來？有人說你電解水制氫呢?那當然是可以電解水制氫，大家都可以電解水制氫，但是電解水制氫要什麼？要電。你有了電，以電解水制氫，然後氫你再把它裝瓶也好，把它液化，最後你再把氫又用氫氧燃料電池去發電。就是說開始是電，最後還是電，你都是用這電去開車。
如果說能夠解決太陽能光解水制氫這個問題，那麼將來我們氫氧燃料電池的確是大有希望。氫氧燃料電池我們要研究，但是要大發展，就是說它要去取代鋰離子電池的這個地位，不是近期的事情。
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