“锂电池之父”陈立泉院士：全世界的电能都用锂离子电池储存，根本不够，钠离子电池是新电池首选

2021-01-21 16:57:01 来源：浏览：150 评论（0）

2021-01-21 11:01:02 聪明投资者

中国工程院院士陈立泉在中国电动汽车百人会主办的2021中国电动汽车百人会云论坛上介绍了锂离子电池、钠离子电池的最新研发进展，分享了卫蓝新能源一些新产品、当下固态电池的性能情况。以下为陈立泉院士演讲全文。

锂离子电池已经到了极限，下一步要发展固态电池

我今天交流的题目是“新一代电池，引领电动中国”。目前的电池就是锂离子电池，大家都很熟悉的石墨负极，磷酸铁锂、三元或者钴酸锂做正极，电解质是可燃的液体电解质，容易引起安全忧虑。另外，它的能量密度到了300瓦时/公斤，已经到了液态锂离子电池的极限。

我们新一代电池就是要发展固态电池，或者说逐渐要过渡到全固态锂电池。固态锂电池的负极材料可以是纳米硅和石墨的复合负极，正极可以是高电压锰酸锂、也可以是富锂锰基材料或者不含锂的正极材料，电解质是固体电解质，它的能量密度可以(达到)300—450瓦时/公斤。再下一代就是远期的，锂硫电池或者锂空气电池。

与此同时，我们现在应该要发展钠离子电池，钠离子电池跟锂离子电池工艺、技术各方面都差不多，它的负极也是碳，我们现在是用无烟煤，正极可以不含贵重金属，像钴、镍都不含，可以只含铜、铁和锰这些比较便宜的元素。电解质目前是液态电解质，下一步也要发展固态钠离子电池。目前钠离子电池能量密度可以到150瓦时/公斤，做得好可以到200瓦时/公斤。

中国的能源是富煤、少气、缺油，我们一定要电动中国

目前我们能源的形式必须介绍一下。目前中国的能源情况是富煤、少气、缺油，我们是很缺石油的。 2018年我们的能源状况是煤、石油、天然气加起来占整个能源的85.6%，水、风、光、核能加起来是占18.3%，化石能源是为主的。

我们2018年自产的原油是1.9亿吨，国外进口的原油是4.6亿吨，对外依存度已经是71%，原来我们建议对外依存度不要超过50%，实际上已经远远超过了50%。汽车的保有量是2.4亿辆，如果按一辆汽车平均2吨油算，我们进口的原油4.6亿吨正好够我们的汽车用，所以我们一定要电动中国，要发展电动汽车，这样来取代进口油。

这就是为什么我们要交通电气化。同时，要实现设备的智能化，智能化的设备一定也需要电池。最近又指出，2030年前我们的碳排放要达到峰值。要达到这一点，非化石能源占比将达到25%，风电和太阳能的装机总量将达到12亿千瓦以上。2020年5亿千瓦，所以未来10年，每年要增加0.7亿千瓦，任务是相当艰巨的，2060年我们要实现碳中和。

这样我们一定要特别强调能源互联网，能源互联网就可以实现能源的低碳化。要发展能源互联网一定需要储能，储能现在一个是锂离子电池、一个是钠离子电池，这就是新一代电池的重要性。

电动汽车、电动船舶和电动飞机是未来发展方向，能源互联网有五大特点

下面介绍一下交通电气化，包括几个方面：第一个，电动汽车，这个是大家很熟悉的，我们从2000年开始就有电动汽车的计划。

第二个，我们目前一定要关注电动船舶。一艘万箱船的硫排放量相当于15万辆重型卡车，对环境污染是相当厉害的，所以我们一定要发展电动船舶，特别是远洋船舶，我们可以发展无人的电动轮船。

第三个，电动飞机，从2017年开始，连续三年在中国开了电动航空的会，所以电动飞机的发展是未来我们发展的一个方向。

因为这三样东西：电动汽车、电动船舶和电动飞机，对改善环境都是相当重要的。能源互联网有五大特点：第一个，所用的能源都是可再生能源;第二个，是分布式的、分散的;第三个，是互联的，如果说要构建网，一定要把它连起来;第四个，这个网连起来以后是开放性的，随时可以把多余的能源卖出去，也可以从网上去买所需要的能源，是开放性的;第五个，这个是智能化的，都是由智能控制的。

这五大特点一定都需要电池，一个是锂离子电池，一个是钠离子电池。

我们目前是原位固态化，物理所很早就开始研究固态电池

现在的锂离子电池是液体电解质，负极是石墨，正极是含过渡金属的氧化物这类材料。它的能量密度极限是300瓦时/公斤或者稍稍再高一点，安全事故时有发生，着火或者爆炸，所以我们要发展固态锂电池或者全固态锂电池，用金属锂做负极。

目前这一阶段可以不用金属锂，用纳米硅或者硅碳复合材料做负极。正极可以利用现有比较便宜的、含过渡金属的正极材料，同时将来也可以发展不含锂的正极材料，中间的电解质是固态的，可以是氧化物、也可以是硫化物、也可以是聚合物。

我们目前是原位固态化，下面我要讲什么叫原位固态化，能量密度可以高达350—500瓦时/公斤，不燃烧，不爆炸，安全性比较高。物理所很早就开始研究固态电池，从1976年就开始研究固体电解质材料。以后我们对固体电解质一直没有停止过研究，最近我们从计算上发现一些新的材料，同时我们也对固态电池的安全性做了很多工作，发现固态电池安全性是很好的。

我们2016年成立了卫蓝新能源公司，2018年固态电池能量密度到了300瓦时/公斤，而且我们进行了样车的试验，2019年在溧阳成立了生产基地，现在固态电池产品已经供给无人机使用，电池安全性都通过了测试。它的原材料都在批量生产，包括硅碳负极，同时固态电池所需要的涂固态电解质材料的隔膜也可以批量生产。

这里介绍一下固态电池核心材料的情况，现在预锂化需要的锂箔和涂固体电解质粉料的隔膜都已经产业化了。同时，纳米固态电解质对正极材料可以进行包覆，特别是高镍正极材料，如果不进行包覆，它的安全性是没有保证的。我们做包覆以后它的容量是相当高的，可以到210mAh/g，在高温下容量更高一些。

我们目前用纳米硅和石墨做复合的负极，现在锂离子电池也用纳米硅，我们是1996年开始研究纳米硅，1997年就在国际上申请了第一个纳米硅做负极的专利。从1997年开始，经过了大概17年的时间，从几百毫克一直到几百公斤，现在我们成立了天目先导公司，专门生产纳米硅材料，可以批量的来供应国内外的需求，这是纳米硅发展的情况。

同时，我们对纳米硅也要进行预锂化，这里显示我们电池预锂化以后容量还是相当高的，到了每克1000多毫安时。显示的18650电池的循环性是相当好的，这是使用的情况。

卫蓝新能源一些新产品

下面特别介绍一下原位固态化。这个图的上边一部分就是铜箔的集流体，黑的是阳极侧，负极材料纳米硅或者硅碳负极，下面这个绿颜色就是隔膜上的LATP(磷酸钛锂铝)涂层，它是电解质材料，使液体电解质原位固态化。也可以看得出来，通过充电、放电几次以后，在阳极材料的表面，就是这个黑颜色的颗粒表面，包上一层SEI膜。

在隔膜的表面，因为涂了一层LATP，也变成了有SEI膜的固态电解质，正极、负极跟电解质完全是成为一体了，这就是原位固态化。这张图显示的，分别包氧化铝和LATP固体电解质材料的隔膜循环稳定性，可以看得出来，包氧化铝的隔膜循环性不好，而包LATP固体电解质的隔膜循环性相当好。

这就是目前我们固态电池的一些工艺比较详细的情况。这是卫蓝新能源一些新产品，新的产品里头我特别强调一下，这个电池能量密度可以到1540瓦时/升，这是目前全世界最高的体积能量密度，它的重量能量密度可以到600瓦时/公斤，它的电池容量是25安时。

这张图介绍了300瓦时/公斤的高比能的混合固液动力电池情况，容量是58安时，它的能量密度是300瓦时/公斤。图右上面是液态电解质电池，穿刺会起火、要爆炸，而固体电池穿刺没问题。

这显示的是它的温度，基本上没有什么大的变化。这是穿刺电压的情况，可以看得出来，那条红线，只要钉子一扎进去它电压往下降，但是过一会儿电压可以恢复了。这是58Ah电池的循环性，1400周容量保持率还有80%。

另外，它低温性能也相当好，红线是低温性能，负20度的容量保持率可以78%。倍率特性也是相当不错的，0.2C一直到3C，基本上容量变化很小。

这是400瓦时/公斤高比能的固态电池，它的电池容量是11安时，中间是电池的情况，上面右上角是它的0.3C循环性的情况。

可以看出，它的安全性也还是不错的，钉子扎进去以后它的电压也往下降，钉子还在里头电压逐渐往上升。针刺的时候温度上升很小，差不多也就是两三度温度的上升，所以400瓦时/公斤的高能固态电池，同样安全性还是不错的。

这个显示的是物理所创办的卫蓝新能源公司的一个子公司，卫国创芯科技公司，在去年的一次评比上，它得了四项第一，这里显示的是高能量密度的一等奖电池的情况：0.2C，能量密度达610瓦时/公斤;2C，能量密度可以到500瓦时/公斤，所以能量密度是相当高的。

全世界的电能都用锂离子电池储存，根本不够，钠离子电池是新电池首选

下面我就介绍一下钠离子电池，为什么介绍钠离子电池呢?因为锂离子电池现在全世界都在做，如果说全世界的车都用锂离子电池来开，全世界的电能都用锂离子电池储存，根本不够，所以我们一定要考虑新的电池，钠离子电池是首选。

锂的含量是相当少的，只有0.0065%，钠的含量2.75%，钠的含量相当多。这张图显示，我们以磷酸铁锂电池(锂离子电池中最便宜的)作为一个对比，它每瓦时的原材料成本是3毛4，钠离子电池的原材料成本每瓦时是2毛6，比较便宜。

另外，我们最近可以看得出来，2021年碳酸锂的价格还在上涨，1月4日是54000元/吨，比去年上涨了12000元/吨，有的公司甚至报63000元/吨，估计以后碳酸锂的价格还会涨，这是我们一定要发展钠离子电池很重要的原因。

我们从2010年开始就开始钠离子电池的研究，经过将近10年的时间，从原材料开始研究，正极材料发现了四五种，负极材料也发现了四五种，最后我们选定了右边这个正极材料，右上角是含铜、铁、锰便宜金属的正极材料，右下角是无烟煤做的碳材料，这样就保证了材料的成本相当低。

6安时软包装钠离子电池能量密度相当高，高低温性能都不错

6安时软包装钠离子电池的能量密度达到了145瓦时/公斤，已经是相当高了。可以快充，5C充/5C放是1C充/1C放容量的90%，10C充/10放容量是1C充/1C放的70%，快充性能比锂离子电池还好。它的循环性，1C充/1C放的循环性可以大于6000次，3C充/3C放可以到3000次，所以它的循环性还是相当不错的。

另外，它的高低温性能都是不错的，左上角就是60度把它充满电，让它在高温60度存放7天，它的容量有所下降，在常温下，很快它又恢复。

左下角那个图是充满电以后在85度存放7天,它的容量就降低了，放在常温下以后容量也还是恢复了。右上角是80度的循环性，一般锂离子电池80度循环性就相当差了，但钠离子电池在80度的循环性还是相当好，将近1000次容量保持78%。

另外看低温性能，图中蓝颜色的曲线显示出钠离子电池低温性能，它在负40度还可以充放电。黑颜色是磷酸铁锂电池的放电曲线，可以看得出来，磷酸铁锂在负30度的时候，容量就已经相当低了，只有原来的40%，所以钠离子电池的低温性能、高温性能都很好。

中科海钠公司是物理所技术成立的公司，这里是各类钠离子电池的情况，包括软包装的、铝壳的和圆柱形的情况。

科学院物理所从2010年开始钠离子电池研究，上面图是材料的研究，下面图是电池的研究，大概2015年研制出第一个软包装的电池。这是电动自行车。这是2017年我们演示了电动汽车，这个是2019年我们演示的第一个储能电站，这是电动观光车。这就是整个钠离子电池的发展情况。

我就介绍这么多，最后用两句话来结束我的交流。第一句是“固态电池大干快上，引领电动中国”。第二句是“钠离子电池并驾齐驱，助推能源互联。”

谢谢大家!

责任编辑：李颖

标签：陈立泉锂离子电池钠离子电池

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