网讯：8月24日—26日，由深圳市发展和改革委员会指导，中国化学与物理电源行业协会与南方科技大学碳中和能源研究院联合主办，100余家机构共同支持的碳中和能源高峰论坛暨第四届中国国际新型储能技术及工程应用大会与新型储能技术青年科学家论坛在深圳召开。此次大会主题是“开拓新质生产力，推动储能产业高质量发展”。
在新型储能技术青年科学家论坛上，中国科学院物理研究所研究员黄学杰做了题为《新材料支持锂离子电池升级》的演讲。
中国科学院物理研究所研究员黄学杰
以下内容根据大会发言整理，仅供参考。
目前被广泛关注的锂离子电池的二代电池有两个品种，一个是磷酸铁锂正极材料电池，另一个是三元正极材料电池。其中磷酸铁锂电池占锂电超70%。现在面临的挑战是，锂电池能量密度还有提升的空间，但是空间不大了，循环寿命还有加倍甚至是三倍的提升空间，这对储能、电动车是有价值的。
锂电池再高端化需要向三代发展，在当下的三元材料技术基础之上，提高比能量意味着事故的增加，因此对安全有很大的挑战。三元锂电池要进一步发展必然会走向更高端，走向固态化，目前全固态还有困难，近期来看半固态是个趋势，只有能量密度进一步提高才能够满足高端电动汽车、飞行器、人形机器人等各个方面应用的需求。
我国风电和光伏的装机功率已经超过了火电，也就意味着大量的电力处在间歇的状态，因此我们需要储能电池。根据数据，到2023年年底，新型储能中锂离子电池占超90%，这其中几乎都是磷酸铁锂电池，这源于磷酸铁锂电池既安全又有较长的寿命，对资源的需求也不像三元材料那么高。
99%的磷酸铁锂都在中国生产，大规模生产从2012年开始，成本下降非常快，从2块钱/Wh，已经降到现在不到4毛/Wh。但是很遗憾，价格持续下探，竞争力激烈，内卷带来的问题是会导致质量下降，一些企业可能会在看不见的地方降低质量要求。
储能领域，如何寿命不够长甚至缩短，会导致电力公司亏本。为此，我们在能量密度提升空间有限的情况下，要把寿命大幅增加。
我带来的一个成果是正极加锂技术，大家知道锂离子电池是靠锂离子在正负极之间来回跑动储存电能，每一次循环后都有少量的锂离子跑不动了，就会导致容量的下降。
朴素的想法就是往里面多加一些锂，活性的锂多一些，能量保持率就高一些，在负极叫补锂，在正极叫加锂，负极补就是把金属锂加进去，正极补就是把高含锂的化合物加进去，两种方式各有优缺点，负极补的做法理论上容易，工业上实现不易，因为金属锂非常危险，正极补在工业生产时好实现，但是对材料的要求非常高。
我们还是考虑走工业上易行的路线，全球研究这种技术路线的很多，只要锂含量比正极材料高得多就可以加进去，目前有包括氧化锂，过氧化锂，草酸锂在内的各种化合物，效果也不同。真正让我们有收获的是硫化锂，今天所有固态电池企业的都希望有很好的硫化锂。
硫化锂，我们最早是用于正极加锂，因为硫化锂充电时会分解，不管什么正极，只要涂上去都能够贡献容量，加进去之后配硅碳负极电池有效。硅碳的首次效率比较低，电池循环容量容易下降，一旦把硫化锂加进去，可以看到循环容量不下降，而且性能非常好，不仅仅硅可以加很多，这个电池还能够快速充电，内阻变得很低。
我们把硫化锂产业化，做成小批量的产品送到企业，但是硫化锂遇到空气水，水分就产生硫化氢，工人受不了，造成产品在实验室里用很好，但在工厂里用不好。因此硫化锂不能用到工厂，于是我们最终采取的方案是，把硫和锂分开，把锂藏到二氧化硅里，硫放到边上，硫本身很稳定，锂加到二氧化硅里变成了硅酸锂也很安全。在硅酸锂上包上碳和硫，我们发现硅酸锂加上硫以后，可以释放出很多的活性锂，特别对增加电池的寿命有好处。同时原来硫化锂对电池的阻抗的影响，对电池性能的改进效果也保持下来，于是我们就做出了这个原创材料。
至今在松山湖生产极片，给电池企业提供极片，测试下来效果良好。此前电动汽车的电池在一般情况下3000次循环后大约还有80%多一点的容量保持率，现在能到95%以上，寿命提高了两倍。
我们分析其主要原因，是有很稳固的CEI和SEI。正极里含有硫，让负极界面上的SEI层很坚固，厚度薄且均匀，使负极充电的性能非常好。
有些企业开始往正极里稍微加一点硫或者往电解液里加一点硫，效果也不错，循环性能没有提高到200%，但也提高了不少，近期也有相关的论文陆续发表出来。
能为行业做一点事情还是很值得高兴的，电池用了它以后，寿命能够提升2倍以上，这对储能行业非常重要，因为它能够让电力储能的成本大幅下降，对于电动汽车也很重要，汽车电池寿命将不再是10年，而是20年。
汽车电动化率在快速的增长，需要更高端的电池，特别是飞行器不能使用磷酸铁锂电池，所以我们需要350Wh/Kg以上，甚至400Wh/Kg的电池，需要小体积、灵活，所以对重量能量密度和体积能量密度都要求非常高，而且还要安全。
需要做到超高的比能量，电池直接加容量意味着更不安全，必须固态化。电池要做到超高的能量，首先要用到超高镍的正极材料，三元材料是高端电池里必须用的，镍越高，能量密度越高，成本越低，但镍超高时材料在循环过程中会开裂，会释放氧气，容易导致车辆起火，这个问题怎么解决？
我们要考虑它将来的应用领域，不仅仅限于现在的电池，还包括未来的固态电池，含半固态电池。所以我们采取的思路不是提高材料烧结温度，烧成单晶，我们是把多晶的一次颗粒尺寸做的更小，反其道而行之，变成更小的纳米晶，大家知道生产钢材时一次晶粒如果做得更小，百炼钢就会化成绕指柔，就能够变得非常坚韧，所以我们做超高镍三元材料也是反其道而行之。
我们先是推出了第一代材料，比容量220mAh/g，可以循环更好，这种材料和今天的商业材料比，氧气释放温度提升了20-40度，而这可能就决定了车子在异常情况下电池是否起火。
做固态电池的人特别关心能否在热压机里把电池压实，因为不压实固态电池不工作，而商业材料是由大颗粒组成的，中间有缝隙，压实每一个颗粒时就会破，我们做的纳米晶的聚集体，每个一次颗粒都很小，二次颗粒很坚固，耐压能力大幅度提升，普通的材料只敢压到3.4g/cm³，商业材料极片压到3.6 g/cm³时有不少的地方二次颗粒都出现了破裂的情况，但是用我们这个材料压到3.6 g/cm³没有问题。
固体电解质加进去以后压到3.8 g/cm³可以形成致密的正极，致密的正极可以满足今天的半固态，未来的全固态的电池需求。
在这个基础之上我们现在已经正式推出了第二代材料，比容量已经达到245mAh/g，1C充放电在220mAh/g有稳定的循环，说明目前我们向三元材料的极限容量又逼近一步。
作为材料实验室，我们有一个重要的使命，是以材料来支撑制造业的发展，要成为国家级南方材料研究基地。我们要进行全链条的研究，从前沿技术一直做到产业转化，拥有多个研究组，有实验工厂，鼓励科研人员积极创业，也有了一批创业公司。
我们以创新工场的形式把实验室的条件，把产业化的公司能力，把研究团队的能力向全社会开放，是一个公共的平台，这不同于传统的研究机构，不仅仅自己做研发，其中的研发条件也对社会开放，已有不少企业从几年前开始就在这条线上试做自己的材料，做自己的电池，我们研发的材料也是对企业开放提供的。
从材料，到液态、半固态电池都在出在这条线上，而且这条线上做出的电极，包括半固态的电极，已经在行业内推广。目前全固态电池的研发平台正在松山湖建设中，预计今年晚些时候完成，其中包括金属锂电池在内的平台会对社会开放。
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