中國儲能網(wǎng)訊：我國固態(tài)鋰電池的發(fā)展是先從液態(tài)鋰電池開始，經(jīng)過原位固態(tài)技術(shù)逐步固態(tài)化，最終實現(xiàn)全固態(tài)鋰電池。
中國工程院院士陳立泉
2023年，我們團隊發(fā)展的聚合物和氧化物復(fù)合電解質(zhì)的原位固態(tài)化電池，能量密度達到了量產(chǎn)動力電池中的全球最高水平（360Wh/kg），已實現(xiàn)GWh級的規(guī)模化量產(chǎn)，支持電動汽車單次充電續(xù)航超1000km。
原位固態(tài)化電池具備更高能量密度、更高安全性，大規(guī)模量產(chǎn)后全生命周期成本較低，具有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如低空經(jīng)濟、電動船舶、長續(xù)航新能源汽車、儲能和消費類電子等領(lǐng)域。
文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順
我國是全球最大的新能源汽車產(chǎn)銷國。2024年11月14日，中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布消息，中國新能源汽車首破年度1000萬輛。
作為新能源汽車核心技術(shù)“三電系統(tǒng)”之一的電池系統(tǒng)，近年來不斷取得突破。根據(jù)工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心發(fā)布的《動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展指數(shù)（2024年）》，中國動力電池企業(yè)全球市場占有率穩(wěn)步提升，由2021年的48.8％、2022年的59.8％，增長到了2023年的62.9％。我國動力電池市場以鋰電池為主，鋰電池因其高能量密度、長壽命和相對輕便的特點，在新能源汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
我國之所以能夠在汽車鋰電池領(lǐng)域異軍突起，與搶先布局有很大關(guān)系。上世紀70年代末，我國開始布局固態(tài)鋰電池研究，中國科學(xué)院“六五”和“七五”計劃將固態(tài)離子學(xué)和固態(tài)鋰電池列為重點課題。在中國科學(xué)院、科技部等項目支持下，中國工程院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員陳立泉帶領(lǐng)團隊于1995年研制出我國第一塊液態(tài)鋰電池。在此基礎(chǔ)上，團隊解決了鋰電池規(guī)?；a(chǎn)的科學(xué)技術(shù)與工程問題，實現(xiàn)了鋰電池的產(chǎn)業(yè)化。
2023年，陳立泉團隊利用原位固態(tài)化技術(shù)路線研發(fā)并商業(yè)應(yīng)用固態(tài)鋰電池。固態(tài)電池被行業(yè)視為最具潛力的“下一代動力電池”。如今，已是耄耋之年的陳立泉依然活躍在科研前線，指導(dǎo)學(xué)生探索全固態(tài)鋰電池、鈉離子電池等前沿研究?！皣倚枰裁?，我們就做什么?！彼f。
實現(xiàn)鋰電池產(chǎn)業(yè)化
《瞭望》：你是如何帶領(lǐng)團隊實現(xiàn)鋰電池從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的？
陳立泉：1976年末，中國科學(xué)院與世界其他研究機構(gòu)重新開展學(xué)術(shù)交流與合作，我作為短期交換學(xué)者赴德國馬克斯—普朗克固體研究所開展研究。由于當(dāng)時我在中國科學(xué)院物理研究所（下稱“物理所”）從事晶體生長研究，因此我的導(dǎo)師A.Rabenau教授讓我在他的實驗室做晶體生長研究。
那時幾乎整個固體研究所都在研究氮化鋰（Li3N）單晶，這是一種超離子導(dǎo)體，可以用來制備固態(tài)鋰電池。其能量密度遠高于鉛酸電池，并且可能應(yīng)用在電動汽車上。我當(dāng)即意識到這是一類重要的材料，隨后我寫信給物理所領(lǐng)導(dǎo)申請更換研究方向，領(lǐng)導(dǎo)很快就同意了。
我的導(dǎo)師也同意我轉(zhuǎn)向超離子導(dǎo)體研究。我把原計劃用一年時間完成的晶體生長任務(wù)，用了五個月時間完成，然后開始學(xué)習(xí)固體電化學(xué)并研究超離子導(dǎo)體，這也是我研究固態(tài)鋰電池的開端。
1978年我回國后，繼續(xù)研究固態(tài)離子學(xué)。1988年我們研發(fā)出了國內(nèi)第一塊固態(tài)鋰電池，但距離商業(yè)化應(yīng)用還非常遙遠。到了1991年，日本索尼公司宣布液態(tài)鋰離子電池實現(xiàn)商業(yè)化，我國傳統(tǒng)電池產(chǎn)業(yè)面臨巨大沖擊。我當(dāng)時就決定先放下固態(tài)鋰電池的研究，轉(zhuǎn)攻液態(tài)鋰離子電池的研究。
1994年，我們建立起了實驗室級別的生產(chǎn)線來研究一種圓柱型鋰離子電池技術(shù)。在1995年研制出第一塊液態(tài)鋰電池后，1998年，我們依靠自己研發(fā)的技術(shù)、自制的設(shè)備、國產(chǎn)原材料，建成年產(chǎn)20萬支18650型鋰離子電池中試線。此后我們成立了公司，標志著中國正式實現(xiàn)了鋰離子電池的商業(yè)化。
總的來說，中國科學(xué)院和科技部支持的固態(tài)離子學(xué)和固態(tài)電池研究為鋰離子電池的研究和生產(chǎn)提供了知識、技術(shù)、設(shè)備和人才儲備。中國早期的鋰離子電池商業(yè)化極大地得益于20世紀90年代期間積累的經(jīng)驗，我們廣泛使用自制的設(shè)備，大大降低了鋰離子電池的價格。這些努力促進了中國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，到了2014年，我國鋰離子電池的國際市場占有率躍居全球首位。
復(fù)興固態(tài)鋰電池
《瞭望》：當(dāng)前國際上對固態(tài)鋰電池的研究情況如何，已經(jīng)有了哪些突破？
陳立泉：許多新興的產(chǎn)品迫切需要比現(xiàn)有鋰電池能量密度更高的電池。目前市面上大多數(shù)商用鋰電池的能量密度大約在200～250Wh/kg（瓦時/千克）之間，隨著能量密度的不斷提升，采用有機電解液的液態(tài)鋰離子電池在使用過程中可能會起火，甚至爆炸，而固態(tài)鋰電池可以避免這一風(fēng)險，而且能量密度可提高到300Wh/kg以上。因此固態(tài)鋰電池被廣泛認可為最有前景的技術(shù)之一。
2013年以后，固態(tài)鋰電池的研發(fā)進展逐漸加快。全球發(fā)達經(jīng)濟體紛紛制定固態(tài)鋰電池相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略，實施重大科技項目，吸引大量研發(fā)團隊和企業(yè)投入其中。例如，日本于2008年提出2030年實現(xiàn)全固態(tài)鋰電池量產(chǎn)規(guī)劃。2018年開始，日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展機構(gòu)（NEDO）安排兩期項目用于電動汽車固態(tài)鋰電池研發(fā)，由豐田牽頭38家單位共同參與。2023年7月，豐田宣布固態(tài)鋰電池有望在2027年實現(xiàn)量產(chǎn)。
《瞭望》：在固態(tài)鋰電池研究領(lǐng)域，我們已經(jīng)做了哪些工作？
陳立泉：我們較早地開始了固態(tài)鋰電池的研究。1980年，物理所成立了固態(tài)離子學(xué)實驗室，這是中國第一個該領(lǐng)域的實驗室，為研究提供了基礎(chǔ)保障。1987年，第一個863計劃將固態(tài)鋰電池列為重點課題。20世紀90年代，我們進行了固態(tài)鋰電池相關(guān)材料的研究，例如研究了新型固溶體離子導(dǎo)體、非晶態(tài)超離子導(dǎo)體、聚合物離子導(dǎo)體和復(fù)合離子導(dǎo)體等，此外還研發(fā)出了電池充放電設(shè)備等。
目前，我國在固態(tài)電池領(lǐng)域已走在世界前列。2023年，我們團隊發(fā)展的聚合物和氧化物復(fù)合電解質(zhì)的原位固態(tài)化電池，能量密度達到了量產(chǎn)動力電池中的全球最高水平（360Wh/kg），已實現(xiàn)GWh級的規(guī)模化量產(chǎn)，支持電動汽車單次充電續(xù)航超1000km，為量產(chǎn)動力電池能量密度的最高水平，同時實現(xiàn)了223MWh的儲能電池并網(wǎng)應(yīng)用。
原位固態(tài)化鋰電池和目前市場上廣泛使用的液態(tài)鋰電池相比，具有獨特的優(yōu)勢和性能，能量密度能達到300～500Wh/kg，是目前國際上最先進的新能源電池之一。
利用原位固態(tài)化技術(shù)生產(chǎn)電池的工藝能兼容目前絕大部分的液態(tài)電池的生產(chǎn)工藝，對我國目前已經(jīng)相對成熟的液態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)沖擊較小。原位固態(tài)化電池具備更高能量密度、更高安全性，大規(guī)模量產(chǎn)后全生命周期成本較低，具有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如低空經(jīng)濟、電動船舶、長續(xù)航新能源汽車、儲能和消費類電子等領(lǐng)域。
《瞭望》：邁向全固態(tài)鋰電池的發(fā)展路線是什么？
陳立泉：我國固態(tài)鋰電池的發(fā)展路線是先從液態(tài)鋰電池開始，經(jīng)過原位固態(tài)技術(shù)逐步固態(tài)化，最終實現(xiàn)全固態(tài)鋰電池。
全固態(tài)電池能量密度可達到500Wh/kg以上，適合對能量密度及安全性要求更高的一些領(lǐng)域，如航空航天、高端消費類等領(lǐng)域。由于系列關(guān)鍵材料和工藝裝備等核心技術(shù)未突破，部分材料和部分電池生產(chǎn)設(shè)備基本屬于空白，我國實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)全固態(tài)鋰電池還面臨挑戰(zhàn)。
需要對全固態(tài)鋰電池的固固界面原子級接觸、多尺度熱－電－力耦合等系列基礎(chǔ)科學(xué)問題進行深入系統(tǒng)的研究，這些基礎(chǔ)問題是成功開發(fā)全固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵。
例如，研制固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵問題之一是開發(fā)一種適用的電解質(zhì)材料，長時間的研究表明通過開發(fā)聚合物/氧化物復(fù)合材料，可能會滿足固態(tài)電池綜合性能的需求條件。
除需要解決科學(xué)技術(shù)問題，固態(tài)鋰電池的開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，產(chǎn)學(xué)研需要加速融合。我國目前電池規(guī)劃產(chǎn)能與實際產(chǎn)能均顯著超過了增長需求，高端產(chǎn)能不足，企業(yè)整體利潤率下降，原位固態(tài)化電池技術(shù)路線能兼容目前液態(tài)鋰電池大部分的產(chǎn)線，為現(xiàn)有鋰電池產(chǎn)業(yè)注入新質(zhì)生產(chǎn)力，從而幫助企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力。
升級回收技術(shù)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展
《瞭望》：當(dāng)前對退役動力電池進行有效回收利用的情況如何？還有哪些瓶頸技術(shù)需要突破？
陳立泉：汽車動力電池的平均使用壽命為5～8年，國內(nèi)早期推廣的新能源汽車動力電池將陸續(xù)進入報廢期，動力電池將迎來大規(guī)模退役潮。如果不能完全回收這些動力電池，會造成環(huán)境污染，也將導(dǎo)致鋰、鎳、鈷、銅、石墨等資源浪費。
當(dāng)前，亟須提高電池回收技術(shù)并完善相關(guān)政策，以實現(xiàn)鋰資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。我國鋰電池拆解回收路線是以濕法冶金為主、其他路線并存。然而，濕法冶金處理過程中，由于強酸浸出劑、化學(xué)萃取劑的使用，使得電池回收過程存在潛在威脅，浸出過程中副產(chǎn)物的生成，對于生產(chǎn)操作者也造成安全隱患。
同時，現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝下，動力電池的回收產(chǎn)物以有價金屬鹽為主，企業(yè)利潤來源于退役電池和可回收貴重金屬的差價，出于技術(shù)成本和盈利的考慮，具有較低回收經(jīng)濟價值的磷酸鐵鋰、錳酸鋰等回收熱度較低。因此，動力電池回收技術(shù)亟須升級，以實現(xiàn)電池全組分回收技術(shù)、全流程污染控制技術(shù)、綠色回收技術(shù)及產(chǎn)品高值化技術(shù)的研發(fā)和升級，進而推動形成可持續(xù)發(fā)展生態(tài)?！?
