— 工程案例
Engineering
鋰電池是電動汽車的關(guān)鍵部件。在世界汽車大國你追我趕、逐鹿新能源車的今天，得鋰電池者得天下。
2023年6月，一塊由我國自主研發(fā)、能量密度每公斤360瓦時的固態(tài)鋰電池正式交付給電動汽車的龍頭企業(yè)，在業(yè)內(nèi)引發(fā)熱議。這一進展標(biāo)志著中國在電動汽車大國的道路上又邁出了重要一步，被認(rèn)為是全球電動汽車行業(yè)的重要里程碑。
鮮為人知的是，到達(dá)這一“里程碑”之前，中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）科研團隊已經(jīng)在鋰電池領(lǐng)域潛心耕耘40余年。
40多年前的中國，自行車都還未普及，汽車對普通人而言更是可望而不可即的奢侈品。由中國工程院院士、物理所研究員陳立泉帶領(lǐng)的團隊見微知著，意識到固態(tài)鋰電池的重要性，并前瞻性地進行布局，歷經(jīng)艱難曲折，終于推動中國鋰電池工業(yè)實現(xiàn)了從無到有、從跟跑到領(lǐng)跑的歷史性跨越。
歲月悠悠、青春不再，如今84歲的陳立泉夢想依舊：未來的中國天更藍(lán)、路更寬，電動汽車飛馳在大街小巷。
“我們的目標(biāo)一定會達(dá)到?！泵嫒萸迨莸乃抗鈭远?、自信滿滿。
1 故事從“轉(zhuǎn)行”開始
“我想轉(zhuǎn)向研究超離子導(dǎo)體。目前整個馬普固體所幾乎都在研究氮化鋰（Li3N），據(jù)說可用來制造汽車的動力電池?！?/p>
1976年末，正在德國馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所（以下簡稱馬普固體所）訪學(xué)的陳立泉給物理所領(lǐng)導(dǎo)寫了一封信，申請改變研究方向——從晶體生長轉(zhuǎn)向固態(tài)離子學(xué)。
“同意！前提是要完成導(dǎo)師交代的晶體生長任務(wù)?！蔽锢硭I(lǐng)導(dǎo)很快回復(fù)。
這個決定，讓歷史的航船轉(zhuǎn)變了航向。
在馬普固體所，陳立泉了解到，氮化鋰是一種超離子導(dǎo)體，可以用來制備固態(tài)鋰電池。用氮化鋰制造的固態(tài)電池能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸電池，未來有可能應(yīng)用在電動汽車上。因此，深入理解、研究這一材料極為重要。
當(dāng)時，世界正經(jīng)歷石油危機，不僅西方社會陷入二戰(zhàn)后最為嚴(yán)重的經(jīng)濟衰退，我國也不得不大量進口石油、填補需求缺口。
這更讓陳立泉認(rèn)識到，替代石油的能源革命一定會到來，研發(fā)固態(tài)鋰電池是大勢所趨。轉(zhuǎn)方向申請得到批準(zhǔn)后，他僅用5個月的時間就完成了原計劃一年的晶體生長任務(wù)，之后一頭扎進固態(tài)離子學(xué)領(lǐng)域，研究超離子導(dǎo)體。
1978年，法國科學(xué)家米歇爾·阿曼德首次報道了固態(tài)金屬鋰電池的研究成果。同年，陳立泉返回中國。兩年后，在物理所大力支持下，國內(nèi)首個固態(tài)離子學(xué)實驗室宣告成立，陳立泉正式開啟固態(tài)離子學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)研究，向著最終目標(biāo)——固態(tài)鋰電池進發(fā)。
此后，中國科學(xué)院連續(xù)3個五年計劃都將固態(tài)離子學(xué)和鋰電池列為重點或重大項目，為這項研究提供了基礎(chǔ)保障。
1987年，我國啟動“863”計劃“七五”儲能材料（聚合物鋰電池）項目，由陳立泉擔(dān)任總負(fù)責(zé)人，下設(shè)12個課題組。憶昔撫今，陳立泉很是欣慰：“目前我國很多企業(yè)都在生產(chǎn)鋰電池，所使用的技術(shù)主要就是由這12個課題組的科研成果轉(zhuǎn)化而來的?！?/p>
1988年，第一批固態(tài)鋰電池在實驗室誕生，但其距離商業(yè)化應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)，中國鋰電池未來的道路依然布滿荊棘。
進入20世紀(jì)90年代，鋰電行業(yè)風(fēng)云變幻。研發(fā)前景不明，到底誰能來做中國鋰電池的“領(lǐng)航者”？
陳立泉團隊用行動扛起了旗幟。
20世紀(jì)90年代中國固態(tài)鋰電池。
2 轉(zhuǎn)攻鋰離子電池
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。
“固態(tài)鋰電池使用金屬鋰作為負(fù)極材料，而鋰離子電池將鋰以離子的形式藏在碳材料里，更加安全——這是二者的最大區(qū)別?！蔽锢硭芯繂T黃學(xué)杰說。他們先“放下”了還不成熟的固態(tài)鋰電池，轉(zhuǎn)而研發(fā)鋰離子電池。
1993年，經(jīng)費接續(xù)不上，陳立泉心急如焚地找到中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)求援：“鋰離子電池非常重要，鋰電池將由此復(fù)活?！敝袊茖W(xué)院給予了最大限度的支持，但研究經(jīng)費依然不夠。陳立泉又找到一位敢于冒險的企業(yè)家才補足缺口，立即開始研發(fā)鋰離子電池。
1995年，中國第一塊A型鋰離子電池在物理所誕生。當(dāng)年12月下旬，黃學(xué)杰結(jié)束歐洲訪學(xué)，回到物理所，趕上了中國科學(xué)院1996年1月組織的鑒定會。他受陳立泉邀請，接任固態(tài)離子學(xué)與能源材料課題組組長。那年，黃學(xué)杰29歲，是陳立泉團隊的“元老”之一。加上他，課題組總共3個人。
回憶起那段歷史，黃學(xué)杰很是感慨：“那段時間，‘板凳’都是冰涼的，幾乎干不下去了?！?/p>
當(dāng)時，與超導(dǎo)、磁學(xué)等國際熱門研究方向相比，鋰離子電池屬于“冷門”，在科研經(jīng)費異常緊張的情況下開展相關(guān)研究難免受到一些質(zhì)疑。
但黃學(xué)杰不服氣。他問物理所領(lǐng)導(dǎo)，如果他們轉(zhuǎn)換賽道做產(chǎn)業(yè)化，所里能否給予更大支持。
黃學(xué)杰這么做的底氣，源于首批鋰離子電池樣品的技術(shù)水平。1996年，中國科學(xué)院輾轉(zhuǎn)將A型電池樣品送到當(dāng)時最大的手機生產(chǎn)商美國摩托羅拉公司進行測試，很快得到了正面的評價結(jié)果。
不過，那時實驗室每天做的鋰離子電池數(shù)量還不足10塊，而產(chǎn)業(yè)化之前的中試線至少需要每天生產(chǎn)1000塊。當(dāng)時課題組的人、財、設(shè)備極其有限，黃學(xué)杰一籌莫展。
關(guān)鍵時刻，中國科學(xué)院鼎力支持，東拼西湊拿出80萬元?！翱磥碇袊茖W(xué)院是真干！”澳門一家合作企業(yè)的負(fù)責(zé)人深受鼓舞，投資了中試所缺的600萬元。
很快，黃學(xué)杰牽頭引進了少量設(shè)備，其余都是自制的。經(jīng)過消化—吸收—再創(chuàng)新，1997年，鋰離子電池中試工作終于在物理所啟動。
為更好地了解鋰離子電池生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)，陳立泉和黃學(xué)杰親力親為，在這條生產(chǎn)線上當(dāng)了一年多的“工人”，什么臟活、累活都干。
1998年秋，依靠自制的設(shè)備、國產(chǎn)原材料和中國人自己的技術(shù)，科研團隊建成了第一條年產(chǎn)量20萬支A型圓柱形鋰離子電池的中試生產(chǎn)線。這是中國第一條正式投產(chǎn)的鋰離子電池中試生產(chǎn)線，解決了規(guī)?；a(chǎn)鋰離子電池的主要技術(shù)和工程問題，為探索我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化道路作出了奠基性貢獻(xiàn)。
同年，黃學(xué)杰發(fā)起成立北京星恒電源有限公司（以下簡稱北京星恒，2003年遷址，改為蘇州星恒電源有限公司，以下簡稱蘇州星恒）。第一批產(chǎn)品進入市場，標(biāo)志著中國正式實現(xiàn)了鋰離子電池商業(yè)化。
“中國科學(xué)院和科技部支持的快離子導(dǎo)體和固態(tài)電池的研究，為鋰離子電池的研究和生產(chǎn)儲備了知識、技術(shù)、設(shè)備和人才。由于我們使用自研設(shè)備，不僅大大降低了鋰離子電池的價格，產(chǎn)品也達(dá)到了同樣的性能?！标惲⑷貞浾f。
從此，中國鋰離子電池的全球競爭力顯著增強，并快速躋身世界前三。
3 從跟跑到領(lǐng)跑
當(dāng)時，物理所生產(chǎn)的電池的市場主要面向兩輪車，以及電視臺等媒體的攝影攝像設(shè)備。
黃學(xué)杰講了一個小“插曲”：2001年，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會（以下簡稱中國科協(xié)）在長春舉辦學(xué)術(shù)年會，時任中國科協(xié)主席、第九屆全國人大常委會副委員長周光召和著名物理學(xué)家楊振寧為黃學(xué)杰頒發(fā)了中國科協(xié)“求是杰出青年成果轉(zhuǎn)化獎”。頒獎儀式后，周光召問黃學(xué)杰：“鋰電池做得怎么樣？產(chǎn)品應(yīng)用情況如何？”黃學(xué)杰回答：“記者的攝像機電池就是我們的首個產(chǎn)品?！?/p>
周光召聽后，便請相關(guān)同志去看看，參會的7家電視媒體用的是哪種品牌的電池。結(jié)果令人驚喜：有4家用的都是物理所的電池，另外3家用的是外國品牌。
周光召倍感振奮，回京后不久就到北京星恒實地探訪。不僅如此，他還力邀時任科技部部長徐冠華到該企業(yè)考察。這極大鼓舞了研發(fā)團隊的斗志，激勵著他們乘勝前進，推動中國鋰離子電池邁上新臺階。
但是，做攝像機、電動自行車電池畢竟只是“小目標(biāo)”，制造汽車動力電池才是陳立泉和黃學(xué)杰的終極夢想。
隨著時間推移，基礎(chǔ)研究取得重要突破性進展。材料是鋰離子電池的關(guān)鍵，一代材料決定一代電池。對于一塊電池，制造成本只占20%，材料成本則占80%。
物理所研究員李泓還是博士生的時候，就發(fā)明了納米硅負(fù)極材料，并申請了世界第一個納米硅負(fù)極材料專利，這一材料可顯著提升鋰離子電池的能量密度。只是當(dāng)時納米硅碳負(fù)極技術(shù)完全不成熟，無法做到中試。
第一代電動汽車電池的正極材料是錳酸鋰，它是由諾貝爾化學(xué)獎得主約翰·班尼斯特·古迪納夫于1983年發(fā)明的。1997年，古迪納夫團隊又發(fā)明了更加穩(wěn)定安全的正極材料——磷酸鐵鋰，這是目前電動汽車、電動大巴、電動船舶等電動交通工具使用的主流材料。
物理所在極其有限的科研條件下，研究了鋰離子電池正極材料的制備方法、基本特性和材料性能，不僅制備出正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰和三元正極材料，還對其進行改性，使其具有自主知識產(chǎn)權(quán)。他們對磷酸鐵鋰進行體相摻雜改性，讓工藝更簡單、性能更好，并申請了發(fā)明專利，打破國外原始專利對磷酸鐵鋰材料的壟斷。
“第一代和第二代動力電池由外國人先做出來，中國的鋰離子電池則首先從中國科學(xué)院誕生。在這個過程中，我們實現(xiàn)了從第一代的跟跑到第二代的并跑?！秉S學(xué)杰和陳立泉在思索，“到了第三代，我們能不能趕超、領(lǐng)先？”
進入21世紀(jì)，中國要力爭在鋰離子電池賽道上跑得更快一些。
向著這個新目標(biāo)發(fā)力，科學(xué)家需要敢于“下?！?，也要舍得“上岸”。
2006年，蘇州星恒年銷電池兩萬余套，達(dá)到收支平衡，同時產(chǎn)品銷往國際市場?！笆袌鼋邮芪覀兊漠a(chǎn)品了?！蓖辏S學(xué)杰卸下蘇州星恒技術(shù)副總職務(wù)，返回北京，投身第三代電池的研發(fā)。
2009年，在一次討論會上，陳立泉作了《中國鋰電如何突圍》的報告，提出鋰電突圍取決于三個方面——對基礎(chǔ)研究的重視、政府和企業(yè)家的資金投入，以及正確的國家戰(zhàn)略。鋰電池生產(chǎn)商ATL（寧德時代前身）董事長張毓捷聽完，馬上與陳立泉擊掌盟誓，“實現(xiàn)中國鋰電突圍從ATL開始！”2011年，全中資公司寧德時代橫空出世。
近10年來，在黨和國家的大力支持下，寧德時代等鋰電池生產(chǎn)企業(yè)與科技界通力合作，發(fā)揚“三千越甲可吞吳”的精神，使我國鋰電池實力迅速上升，產(chǎn)品競爭性極大增強。2014年，中國鋰離子電池的國際市場占有率已為世界第一。近些年，全球排名前十的鋰電企業(yè)中，中國企業(yè)有6家。
陳立泉和黃學(xué)杰團隊在第三代鋰離子電池的基礎(chǔ)研究上取得了系列突破，其中他們基于鎳錳尖晶石高電壓正極材料研發(fā)的鋰離子電池中試即將完成，能量密度比第二代的磷酸鐵鋰電池提升50%以上，量產(chǎn)后預(yù)期成本也明顯下降。
鋰電池科研團隊正在討論。
4 再次沖擊固態(tài)鋰電池
如今，中國已經(jīng)成為名副其實的電動汽車大國，中國鋰離子電池產(chǎn)量和產(chǎn)能居全球第一。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年，全球70%的鋰離子電池、99%的磷酸鐵鋰正極材料由中國企業(yè)生產(chǎn)。
中國鋰電池如何保持世界領(lǐng)先地位？陳立泉心中早有設(shè)想：必須發(fā)展固態(tài)鋰電池?！肮虘B(tài)鋰電池依然是未來可再充電池技術(shù)的核心。抓住第一機會才能掌握主動權(quán)。”這一20世紀(jì)70年代因各方條件不成熟而被擱置的理想，被陳立泉再次提及。他敏銳地察覺到，是時候再次向固態(tài)鋰電池發(fā)起沖擊了。
發(fā)展固態(tài)鋰電池，有其必然性。鋰離子電池的能量密度達(dá)到每公斤300瓦時已接近極限，燃燒與爆炸等安全事故時有發(fā)生。因此，未來要想將能量密度提高到每公斤500瓦時，就必須發(fā)展固態(tài)鋰電池。由于固態(tài)鋰電池是用固態(tài)電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)，能夠避免燃燒和爆炸的危險，安全性大大提高。
陳立泉說，放眼世界，美國寄希望于鋰硫、鋰空等下一代高比能二次鋰電池，同時希望在下一代鋰電池硅基負(fù)極和層狀多元過渡金屬氧化物材料領(lǐng)域取得突破；日本、韓國則在硫化物固體電解質(zhì)研究方面技術(shù)領(lǐng)先、知識產(chǎn)權(quán)積累深厚，在保持優(yōu)勢的同時不斷開拓創(chuàng)新。
“下一代鋰電池應(yīng)是全固態(tài)鋰電池。如果我們將全固態(tài)鋰電池技術(shù)攻克了，再去做鋰硫、鋰空電池，相關(guān)技術(shù)難題就會迎刃而解?！边@一次，陳立泉更加自信。
鋰電池科研團隊研發(fā)的固態(tài)鋰離子電池（半固態(tài)磷酸鐵鋰儲能電池）儲能系統(tǒng)。
5 固態(tài)鋰電“保持領(lǐng)先”
2013年，陳立泉提出中國固態(tài)鋰電池的發(fā)展愿景——爭取5年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
中國科學(xué)院過去數(shù)十年的研究和產(chǎn)業(yè)化實踐，為這一愿景打下了堅實基礎(chǔ)。為了盡可能利用現(xiàn)有鋰離子電池的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)工藝，陳立泉和團隊成員提出了“原位固態(tài)化”的方案：在現(xiàn)有的鋰離子電池電解液中增加添加劑，讓正負(fù)極表面的固體電解質(zhì)層變厚，直至液體電解質(zhì)完全變成固體。
2016年，物理所孵化的北京衛(wèi)藍(lán)新能源公司（以下簡稱衛(wèi)藍(lán)新能源）成立，使原位固態(tài)化技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。2018年，能量密度每公斤300瓦時的固態(tài)電池進行裝車試驗。2019年，衛(wèi)藍(lán)新能源固態(tài)電池產(chǎn)品在能量密度、功率密度和安全性等方面均為世界第一。
愿景的實現(xiàn)需要攻堅克難，為此，物理所團隊持續(xù)奮斗著。
2013年，中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”，物理所研究員李泓擔(dān)任其中長續(xù)航動力鋰電池項目的首席科學(xué)家，納米硅負(fù)極材料得到了支持。2017年，溧陽天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司成立，納米硅負(fù)極材料在工程上加速發(fā)展，并最終實現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，為我國鋰離子電池能量密度超過每公斤360瓦時作出了貢獻(xiàn)。
李泓解釋說，與石墨材料相比，硅碳作為負(fù)極材料優(yōu)勢更佳，硅材料的理論質(zhì)量比容量最高可達(dá)每克4200毫安時，遠(yuǎn)大于石墨的每克372毫安時，是目前已知負(fù)極材料中理論比容量最高的材料。
“可實用化的固態(tài)電解質(zhì)材料、固固界面問題，以及使用固態(tài)電解質(zhì)材料后現(xiàn)有正負(fù)極材料能否在電池中發(fā)揮得更好，過去液態(tài)電解質(zhì)不能用的正負(fù)極材料是否有重新應(yīng)用的機會，是否有新正負(fù)極材料更適應(yīng)固態(tài)電解質(zhì)……這些都是需要廣泛深入研究的問題?！崩钽f。
“我們在20世紀(jì)70年代想做的全固態(tài)鋰電池，今天應(yīng)該可以‘復(fù)活’了?！秉S學(xué)杰感到很欣慰，他們在做一件被事實證明越來越好的事情。“可能還需要10到15年的時間，全固態(tài)鋰電池會被越來越多的企業(yè)和用戶接受，這一代電池性能與安全性將會成倍提升?！?/p>
為了加快這一進程，陳立泉呼吁，鋰電池企業(yè)應(yīng)盡快與科研單位和原材料企業(yè)合作，解決應(yīng)用新的電池材料及電池體系的科學(xué)技術(shù)和工程問題，在短期內(nèi)生產(chǎn)出高能量密度的合格電池產(chǎn)品。同時，要破除對國外裝備和技術(shù)的迷信，盡快用先進國產(chǎn)設(shè)備“武裝”鋰電企業(yè)，增強我國鋰電產(chǎn)品的國際競爭力?！皩W(xué)術(shù)界、工程界、產(chǎn)業(yè)界聯(lián)手，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密結(jié)合，加快研究成果產(chǎn)業(yè)化進程?！?/p>
如今，當(dāng)年的3人小組已經(jīng)發(fā)展成百人大團隊，固態(tài)離子學(xué)與能源材料課題組也成為物理所歷史上唯一成功“復(fù)活”的課題組。
發(fā)展壯大的鋰電池科研團隊。物理所供圖
盡管在所有儲能技術(shù)中，鋰離子電池能量轉(zhuǎn)換效率最高、綜合性能最好，但鋰資源供應(yīng)存在挑戰(zhàn)。目前我國70%的鋰資源依賴進口，供應(yīng)鏈上存在風(fēng)險，且難以同時滿足交通、智能電網(wǎng)和可再生能源大規(guī)模儲能的需求。
“一旦在供應(yīng)鏈上出現(xiàn)風(fēng)險，對我們損害極大，我們必須開辟新賽道，開發(fā)不受資源限制的電池體系。鈉離子電池是一個極佳選擇?！蔽锢硭鍧嵞茉磳嶒炇抑魅魏聞傺芯繂T告訴《中國科學(xué)報》。
中國科學(xué)院提前布局鈉離子電池基礎(chǔ)研究，在國家需要的時候能夠挺身而出，物理所團隊提出多種新型鈉離子電池正極材料（含銅基氧化物）和負(fù)極材料（煤基碳材料）。兩年時間里，國內(nèi)首個鈉離子軟包電池和圓柱電池在物理所相繼誕生。
2017年，基于物理所核心正負(fù)極材料的知識產(chǎn)權(quán)，國內(nèi)首家鈉離子電池企業(yè)中科海鈉應(yīng)運而生。
2019年3月，世界首座100千瓦時鈉離子電池儲能電站在江蘇溧陽誕生。2021年6月，研究團隊在山西太原推出全球首套兆瓦時鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)，并成功投入運行。2023年12月，團隊向南方電網(wǎng)交付十兆瓦時鈉離子電池用于儲能系統(tǒng)試制驗證和性能評估。
“我國鈉離子電池不論是在材料體系和電池綜合性能等技術(shù)研發(fā)方面，還是在產(chǎn)業(yè)化推進速度、示范應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)制定等方面均處于國際前列，已具備先發(fā)優(yōu)勢?！焙聞僬f。
如今，距離最初陳立泉開啟電動汽車電池材料研究已過去近半個世紀(jì)。幾十年來，材料更新、技術(shù)迭代，物理所打造了一個又一個電池新高地。唯一不變的，是一代代科研人員勇攀高峰、敢為人先、淡泊名利、潛心研究的精神血脈。
在一次電動汽車論壇上，陳立泉再次描述了他對電池未來發(fā)展的期望：“固態(tài)電池大干快上，引領(lǐng)電動中國；鈉離子電池并駕齊驅(qū)，助推能源互聯(lián)?！?/p>
2024年新年前夕，國家主席習(xí)近平通過中央廣播電視總臺和互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)表了二〇二四年新年賀詞。其中提到，新能源汽車、鋰電池、光伏產(chǎn)品給中國制造增添了新亮色。中國以自強不息的精神奮力攀登，到處都是日新月異的創(chuàng)造。
中國的鋰電池正突破重圍、勢不可擋。
（原載于《中國科學(xué)報》?2024-03-11?第3版?專題）
Copyright @ Ledlights All rights reserved.s 四川攀榮新能源有限公司 @2012-2024
E-mail：2782400400@qq.com 四川盛彩文化傳媒 / 版權(quán)所有 / 并提供技術(shù)支持
