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瞭望访谈丨复兴固态锂电池——专访中国工程院院士 陈立泉

时间:2024-12-10 15:40来源:《瞭望》2024年第50期 作者:子蕊
点击: 次
​◇我国固态锂电池的发展是先从液态锂电池开始，经过原位固态技术逐步固态化，最终实现全固态锂电池
◇2023年，我们团队发展的聚合物和氧化物复合电解质的原位固态化电池，能量密度达到了量产动力电池中的全球最高水平（360Wh/kg），已实现GWh级的规模化量产，支持电动汽车单次充电续航超1000km
◇原位固态化电池具备更高能量密度、更高安全性，大规模量产后全生命周期成本较低，具有更加广泛的应用领域，如低空经济、电动船舶、长续航新能源汽车、储能和消费类电子等领域
文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺
在上汽时代动力电池系统有限公司车间，工人在安装新能源汽车动力电池系统（2023年2月16日摄）杨磊摄 / 本刊
我国是全球最大的新能源汽车产销国。2024年11月14日，中国汽车工业协会发布消息，中国新能源汽车首破年度1000万辆。
作为新能源汽车核心技术“三电系统”之一的电池系统，近年来不断取得突破。根据工业和信息化部装备工业发展中心发布的《动力电池产业发展指数（2024年）》，中国动力电池企业全球市场占有率稳步提升，由2021年的48.8%、2022年的59.8%，增长到了2023年的62.9%。我国动力电池市场以锂电池为主，锂电池因其高能量密度、长寿命和相对轻便的特点，在新能源汽车等领域得到了广泛应用。
我国之所以能够在汽车锂电池领域异军突起，与抢先布局有很大关系。上世纪70年代末，我国开始布局固态锂电池研究，中国科学院“六五”和“七五”计划将固态离子学和固态锂电池列为重点课题。在中国科学院、科技部等项目支持下，中国工程院院士、中国科学院物理研究所研究员陈立泉带领团队于1995年研制出我国第一块液态锂电池。在此基础上，团队解决了锂电池规模化生产的科学技术与工程问题，实现了锂电池的产业化。
2023年，陈立泉团队利用原位固态化技术路线研发并商业应用固态锂电池。固态电池被行业视为最具潜力的“下一代动力电池”。如今，已是耄耋之年的陈立泉依然活跃在科研前线，指导学生探索全固态锂电池、钠离子电池等前沿研究。“国家需要什么，我们就做什么。”他说。
实现锂电池产业化
《瞭望》：你是如何带领团队实现锂电池从基础研究到产业化发展的？
陈立泉：1976年末，中国科学院与世界其他研究机构重新开展学术交流与合作，我作为短期交换学者赴德国马克斯—普朗克固体研究所开展研究。由于当时我在中国科学院物理研究所（下称“物理所”）从事晶体生长研究，因此我的导师A.Rabenau教授让我在他的实验室做晶体生长研究。
那时几乎整个固体研究所都在研究氮化锂（Li3N）单晶，这是一种超离子导体，可以用来制备固态锂电池。其能量密度远高于铅酸电池，并且可能应用在电动汽车上。我当即意识到这是一类重要的材料，随后我写信给物理所领导申请更换研究方向，领导很快就同意了。
我的导师也同意我转向超离子导体研究。我把原计划用一年时间完成的晶体生长任务，用了五个月时间完成，然后开始学习固体电化学并研究超离子导体，这也是我研究固态锂电池的开端。
1978年我回国后，继续研究固态离子学。1988年我们研发出了国内第一块固态锂电池，但距离商业化应用还非常遥远。到了1991年，日本索尼公司宣布液态锂离子电池实现商业化，我国传统电池产业面临巨大冲击。我当时就决定先放下固态锂电池的研究，转攻液态锂离子电池的研究。
1994年，我们建立起了实验室级别的生产线来研究一种圆柱型锂离子电池技术。在1995年研制出第一块液态锂电池后，1998年，我们依靠自己研发的技术、自制的设备、国产原材料，建成年产20万支18650型锂离子电池中试线。此后我们成立了公司，标志着中国正式实现了锂离子电池的商业化。
总的来说，中国科学院和科技部支持的固态离子学和固态电池研究为锂离子电池的研究和生产提供了知识、技术、设备和人才储备。中国早期的锂离子电池商业化极大地得益于20世纪90年代期间积累的经验，我们广泛使用自制的设备，大大降低了锂离子电池的价格。这些努力促进了中国锂离子电池产业快速发展，到了2014年，我国锂离子电池的国际市场占有率跃居全球首位。
复兴固态锂电池
《瞭望》：当前国际上对固态锂电池的研究情况如何，已经有了哪些突破？
陈立泉：许多新兴的产品迫切需要比现有锂电池能量密度更高的电池。目前市面上大多数商用锂电池的能量密度大约在200～250Wh/kg（瓦时/千克）之间，随着能量密度的不断提升，采用有机电解液的液态锂离子电池在使用过程中可能会起火，甚至爆炸，而固态锂电池可以避免这一风险，而且能量密度可提高到300Wh/kg以上。因此固态锂电池被广泛认可为最有前景的技术之一。
2013年以后，固态锂电池的研发进展逐渐加快。全球发达经济体纷纷制定固态锂电池相关发展战略，实施重大科技项目，吸引大量研发团队和企业投入其中。例如，日本于2008年提出2030年实现全固态锂电池量产规划。2018年开始，日本新能源与工业技术发展机构（NEDO）安排两期项目用于电动汽车固态锂电池研发，由丰田牵头38家单位共同参与。2023年7月，丰田宣布固态锂电池有望在2027年实现量产。
《瞭望》：在固态锂电池研究领域，我们已经做了哪些工作？
陈立泉：我们较早地开始了固态锂电池的研究。1980年，物理所成立了固态离子学实验室，这是中国第一个该领域的实验室，为研究提供了基础保障。1987年，第一个863计划将固态锂电池列为重点课题。20世纪90年代，我们进行了固态锂电池相关材料的研究，例如研究了新型固溶体离子导体、非晶态超离子导体、聚合物离子导体和复合离子导体等，此外还研发出了电池充放电设备等。
目前，我国在固态电池领域已走在世界前列。2023年，我们团队发展的聚合物和氧化物复合电解质的原位固态化电池，能量密度达到了量产动力电池中的全球最高水平（360Wh/kg），已实现GWh级的规模化量产，支持电动汽车单次充电续航超1000km，为量产动力电池能量密度的最高水平，同时实现了223MWh的储能电池并网应用。
原位固态化锂电池和目前市场上广泛使用的液态锂电池相比，具有独特的优势和性能，能量密度能达到300～500Wh/kg，是目前国际上最先进的新能源电池之一。
利用原位固态化技术生产电池的工艺能兼容目前绝大部分的液态电池的生产工艺，对我国目前已经相对成熟的液态锂电池产业冲击较小。原位固态化电池具备更高能量密度、更高安全性，大规模量产后全生命周期成本较低，具有更加广泛的应用领域，如低空经济、电动船舶、长续航新能源汽车、储能和消费类电子等领域。
《瞭望》：迈向全固态锂电池的发展路线是什么？
陈立泉：我国固态锂电池的发展路线是先从液态锂电池开始，经过原位固态技术逐步固态化，最终实现全固态锂电池。
全固态电池能量密度可达到500Wh/kg以上，适合对能量密度及安全性要求更高的一些领域，如航空航天、高端消费类等领域。由于系列关键材料和工艺装备等核心技术未突破，部分材料和部分电池生产设备基本属于空白，我国实现大规模量产全固态锂电池还面临挑战。
需要对全固态锂电池的固固界面原子级接触、多尺度热－电－力耦合等系列基础科学问题进行深入系统的研究，这些基础问题是成功开发全固态锂电池的关键。
例如，研制固态锂电池的关键问题之一是开发一种适用的电解质材料，长时间的研究表明通过开发聚合物/氧化物复合材料，可能会满足固态电池综合性能的需求条件。
除需要解决科学技术问题，固态锂电池的开发是一项系统工程，产学研需要加速融合。我国目前电池规划产能与实际产能均显著超过了增长需求，高端产能不足，企业整体利润率下降，原位固态化电池技术路线能兼容目前液态锂电池大部分的产线，为现有锂电池产业注入新质生产力，从而帮助企业提高产品竞争力。
升级回收技术实现可持续发展
《瞭望》：当前对退役动力电池进行有效回收利用的情况如何？还有哪些瓶颈技术需要突破？
陈立泉：汽车动力电池的平均使用寿命为5～8年，国内早期推广的新能源汽车动力电池将陆续进入报废期，动力电池将迎来大规模退役潮。如果不能完全回收这些动力电池，会造成环境污染，也将导致锂、镍、钴、铜、石墨等资源浪费。
当前，亟须提高电池回收技术并完善相关政策，以实现锂资源的高效利用和可持续发展。我国锂电池拆解回收路线是以湿法冶金为主、其他路线并存。然而，湿法冶金处理过程中，由于强酸浸出剂、化学萃取剂的使用，使得电池回收过程存在潜在威胁，浸出过程中副产物的生成，对于生产操作者也造成安全隐患。
同时，现有的生产工艺下，动力电池的回收产物以有价金属盐为主，企业利润来源于退役电池和可回收贵重金属的差价，出于技术成本和盈利的考虑，具有较低回收经济价值的磷酸铁锂、锰酸锂等回收热度较低。因此，动力电池回收技术亟须升级，以实现电池全组分回收技术、全流程污染控制技术、绿色回收技术及产品高值化技术的研发和升级，进而推动形成可持续发展生态。
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 电池
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