中科院物理所黃學杰：基于材料革新的下一代動力電池

2022年9月7日，在第四屆新能源與智能汽車供應鏈全球創新大會上，中科院物理所研究員黃表示，二代人都知道磷酸亞鐵鋰和三元是目前主流的動力電池，高質量發展需要升級。我就說說升級版的鋰離子電池，也就是5V尖晶石鎳錳電池，升級版的三元高密度高端動力電池，1000 Wh/L..

以下是中國科學院物理研究所黃研究員的發言:

感謝中國電動汽車100委員會的邀請，我有機會和大家分享基于材料創新的下一代動力電池，因為這是一個命題報告，我會按要求和大家分享我對下一代電池的這個看法。

本文主要介紹什么是第三代電池。大家都知道磷酸亞鐵鋰和三元是目前主流的動力電池，高質量發展需要升級。我就說說升級版的鋰離子電池，也就是5V尖晶石錳酸鎳鋰電池，還有升級版的三元高密度高端動力電池，1000 Wh/L。

為什么他們是下一代？我剛才講了這一代的磷酸亞鐵鋰和三元電池。在他們之上的第一代是錳酸鋰電池。當然現在只能用在兩輪車上，因為老款Leaf那些年賣的好，也只有200多公里的續航里程。如今的鋰離子和三元電池已經基本解決了電動車的里程焦慮問題，所以電動車的普及率也迅速達到了20%以上。

在電動汽車和動力電池的會議上，我總是向Goodenough教授和Armand教授致敬。其中一個建議磷酸亞鐵鋰可以用作陰極材料，另一個建議在磷酸亞鐵鋰上涂覆碳。不管是什么原因，到目前為止，99%的磷酸亞鐵鋰材料和電池都產自中國，支撐了我們從大車和小車同步發展電動車的路線，也奠定了今天中國在電動車行業乃至儲能行業的相當優勢。

三元電池適用于行駛里程長的電動車。人們期望它變得更長，但不希望它不安全，也不想接受電池很貴的現狀。這時候我們該怎么辦？來升級它。升級有兩條路線，一是提高電壓，也是降低成本的一種方式。一條路線是增加產能，大多數情況下是增加成本，但我認為高端的第三代電池也必須降低成本。

對于電池產品，不代表我們提高了5%、10%，就是新一代。我認為，一代代的改進，如果不是性能倍增，也應該是能量密度提高50%，成本也降低幾十個百分點，這才能叫代際變化，否則就不是，同代內的逐步優化。

其實今天大家經常說的能量密度就是比能量，也就是單位重量電池儲存的能量。現在是什么水平？三元電池最高可以做到300Wh/kg，磷酸鐵鋰電池也可以做到200Wh/kg。

對于現在的電動乘用車，要真正講能量密度，也就是單位體積的能量，下一代電池的重要指標就是能量密度提升50%以上。這個推廣不是說加一點錳，加一點鋰鐵錳，加一點鎳，或者加減一點鈷就可以的。它是基于材料的變化。鋰鐵電池安全性高，成本低，資源占用少。能否將以鋰鐵電池為代表的大眾電動車電池的能量密度提高50%，并且更加安全，成本更低？基本材料是錳酸鋰鎳。一公斤碳酸鋰可以做第一代錳酸鋰電池，差不多能做1.7千瓦時，三元電池用電量少一點。磷酸亞鐵鋰可以做2.1度電，所以磷酸亞鐵鋰便宜，不僅鐵便宜，每度電用的碳酸鋰也少。然而，…你做一個錳酸鋰鎳電池，1公斤碳酸鋰可以做2.95千瓦時，大大減少了碳酸鋰的用量，有資源利用價值。當然分子式中也有無鈷低鎳。

有哪些挑戰？必須充電到4.9V，不像鋰離子充電到3.65V或者三元充電到4.2V或者4.3V..電壓越高，能量越高。如果用同樣的水來提高水頭，可以產生更多的電。但三峽大壩的修復難度比葛洲壩大大增加。水泥不一樣，砂漿一樣，對石材的要求可能不一樣。有許多需要改進的地方。

今天，基于材料技術的進步，陰極材料本身的穩定性問題已經得到解決。它被充電到4.9V，即使在55度，循環性能也優于當今典型的三元材料。但是，就像建三峽大壩，光用石頭不行，還要用水泥和砂漿。粘合劑、導電添加劑甚至集流體的表面處理都得滿足高壓充電的要求，這樣才能承受更高的電壓。

這個東西做好了，我們就可以用更少的鋰做一個單位體積容量增加50%的柔性電池，這樣的電池可以循環使用3000次以上。同時保持了較高的安全性能和優異的低溫性能，低溫性能可與錳酸鋰相媲美，這也是一項重要性能。

如今，在珠三角松山湖材料實驗室建設的材料中試線和電池中試線正在推圓柱形、軟袋、方殼三種電池。我們正在與同行進行測試，看他們是否能成為我們電池汽車的下一代電池。這是位于實驗室兩個園區的兩個基地，一個是材料的研發基地，一個是電池的研發基地。

我想接下來你可能會問，有沒有三元電池的升級版？我剛才說的錳酸鋰鎳電池可以做到650Wh/L，比今天的三元動力電池高不了多少。三元如何提高50%的能量密度？即提高到1000 wh/L，2019年起，科技部在轉化技術專項中布局高體積能量密度電池項目。基于材料的變化，不再以Wh/kg為指標，其中正極材料指標取Wh/L，負極材料指標取Ah/L，其目標不再取MAH/G，項目正在實施中。

取得了哪些成果？我先向你匯報其中的一些。

首先，層狀鎳基材料具有高的比容量。如何增加其密度，使其成為致密材料？請看這種材料的能量密度已經超過了3000Wh/L(相對于金屬鋰)。其次，它應該被致密化，因為這樣的材料不能制成單晶。眾所周知，鎳811很難做成單晶，鎳90幾乎不可能做成單晶。我們的解決方案是將納米一次離子的多晶體做成致密的二次球材料，并使其穩定。當然，這種材料技術也在目前的三元體系中使用。

另外，用什么方法使負極材料具有更高的密度？合金化的鋰存儲材料，如硅和錫，可以放入銅皮中，此時可以增加其密度，同時保持良好的循環性能，同時保持高密度。它們之間的導電鏈接=可以用錫絲串在一起。錫是一種密度比硅高兩倍的材料。這時，我們考慮更多的使用一些高密度的材料作為它的電極。當然這些階段性成果也用在了今天的二代電池上，現在也有人開始用在二代電池上了。這個項目的目標是生產1000Wh/L的動力電池，去年年中達到750Wh/L，今年年底達到850~900Wh/L，預計2024年達到1000Wh/L。

這些都不是一家公司能做到的。以前我們自己努力，現在請同事一起。因此，我們在松山湖建立了一個能源材料和設備的創新工廠，并與許多商界同仁合作。他們都是我們的下一代……n電池伙伴。這個合作機制是對整車企業、電池企業、材料企業開放的。這也是公共材料實驗室向社會開放公共資源的一次重要嘗試。歡迎大家有機會來松山湖指導。大家一起努力，看看在突破第三代材料，走向動力電池產業化的過程中，能不能合作做點什么。我廠有專門的服務體系，我們盡力提供相應的支持。2022年9月7日，在第四屆新能源與智能汽車供應鏈全球創新大會上，中科院物理所研究員黃表示，二代人都知道磷酸亞鐵鋰和三元是目前主流的動力電池，高質量發展需要升級。我就說說升級版的鋰離子電池，也就是5V尖晶石鎳錳電池，升級版的三元高密度高端動力電池，1000 Wh/L..

以下是中國科學院物理研究所黃研究員的發言:

感謝中國電動汽車100委員會的邀請，有機會和大家分享基于材料創新的下一代動力電池，因為這是一個命題報告，我會按要求和大家分享我對下一代電池的這個看法。

本文主要介紹什么是第三代電池。大家都知道磷酸亞鐵鋰和三元是目前主流的動力電池，高質量發展需要升級。我就說說升級版的鋰離子電池，也就是5V尖晶石錳酸鎳鋰電池，還有升級版的三元高密度高端動力電池，1000 Wh/L。

為什么他們是下一代？我剛才講了這一代的磷酸亞鐵鋰和三元電池。在他們之上的第一代是錳酸鋰電池。當然現在只能用在兩輪車上，因為老款Leaf那些年賣的好，也只有200多公里的續航里程。如今的鋰離子和三元電池已經基本解決了電動車的里程焦慮問題，所以電動車的普及率也迅速達到了20%以上。

在電動汽車和動力電池的會議上，我總是向Goodenough教授和Armand教授致敬。其中一個建議磷酸亞鐵鋰可以用作陰極材料，另一個建議在磷酸亞鐵鋰上涂覆碳。不管是什么原因，到目前為止，99%的磷酸亞鐵鋰材料和電池都產自中國，支撐了我們從大車和小車同步發展電動車的路線，也奠定了今天中國在電動車行業乃至儲能行業的相當優勢。

三元電池適用于行駛里程長的電動車。人們期望它變得更長，但不希望它不安全，也不想接受電池很貴的現狀。這時候我們該怎么辦？來升級它。升級有兩條路線，一是提高電壓，也是降低成本的一種方式。一條路線是增加產能，大多數情況下是增加成本，但我認為高端的第三代電池也必須降低成本。

對于電池產品，不代表我們提高了5%、10%，就是新一代。我認為，一代代的改進，如果不是性能倍增，也應該是能量密度提高50%，成本也降低幾十個百分點，這才能叫代際變化，否則就不是，同代內的逐步優化。

其實今天大家經常說的能量密度就是比能量，也就是單位重量電池儲存的能量。現在是什么水平？三元電池最高可以做到300Wh/kg，磷酸鐵鋰電池也可以做到200Wh/kg。

對于現在的電動乘用車，要真正講能量密度，也就是單位體積的能量，下一代電池的重要指標就是能量密度提升50%以上。這個推廣不是說加一點錳，加一點鋰鐵錳，加一點鎳，或者加減一點鈷就可以的。它是基于材料的變化。鋰離子電池非常安全……成本低、資源占用少。能否將以鋰鐵電池為代表的大眾電動車電池的能量密度提高50%，并且更加安全，成本更低？基本材料是錳酸鋰鎳。一公斤碳酸鋰可以做第一代錳酸鋰電池，差不多能做1.7千瓦時，三元電池用電量少一點。磷酸亞鐵鋰可以做2.1度電，所以磷酸亞鐵鋰便宜，不僅鐵便宜，每度電用的碳酸鋰也少。但如果做錳酸鋰鎳電池，1公斤碳酸鋰可以做2.95千瓦時，大大減少了碳酸鋰的用量，有資源利用價值。當然分子式中也有無鈷低鎳。

有哪些挑戰？必須充電到4.9V，不像鋰離子充電到3.65V或者三元充電到4.2V或者4.3V..電壓越高，能量越高。如果用同樣的水來提高水頭，可以產生更多的電。但三峽大壩的修復難度比葛洲壩大大增加。水泥不一樣，砂漿一樣，對石材的要求可能不一樣。有許多需要改進的地方。

今天，基于材料技術的進步，陰極材料本身的穩定性問題已經得到解決。它被充電到4.9V，即使在55度，循環性能也優于當今典型的三元材料。但是，就像建三峽大壩，光用石頭不行，還要用水泥和砂漿。粘合劑、導電添加劑甚至集流體的表面處理都得滿足高壓充電的要求，這樣才能承受更高的電壓。

這個東西做好了，我們就可以用更少的鋰做一個單位體積容量增加50%的柔性電池，這樣的電池可以循環使用3000次以上。同時保持了較高的安全性能和優異的低溫性能，低溫性能可與錳酸鋰相媲美，這也是一項重要性能。

如今，在珠三角松山湖材料實驗室建設的材料中試線和電池中試線正在推圓柱形、軟袋、方殼三種電池。我們正在與同行進行測試，看他們是否能成為我們電池汽車的下一代電池。這是位于實驗室兩個園區的兩個基地，一個是材料的研發基地，一個是電池的研發基地。

我想接下來你可能會問，有沒有三元電池的升級版？我剛才說的錳酸鋰鎳電池可以做到650Wh/L，比今天的三元動力電池高不了多少。三元如何提高50%的能量密度？即提高到1000 wh/L，2019年起，科技部在轉化技術專項中布局高體積能量密度電池項目。基于材料的變化，不再以Wh/kg為指標，其中正極材料指標取Wh/L，負極材料指標取Ah/L，其目標不再取MAH/G，項目正在實施中。

取得了哪些成果？我先向你匯報其中的一些。

首先，層狀鎳基材料具有高的比容量。如何增加其密度，使其成為致密材料？請看這種材料的能量密度已經超過了3000Wh/L(相對于金屬鋰)。其次，它應該被致密化，因為這樣的材料不能制成單晶。眾所周知，鎳811很難做成單晶，鎳90幾乎不可能做成單晶。我們的解決方案是將納米一次離子的多晶體做成致密的二次球材料，并使其穩定。當然，這種材料技術也在目前的三元體系中使用。

另外，用什么方法使負極材料具有更高的密度？合金化的鋰存儲材料，如硅和錫，可以放入銅皮中，此時可以增加其密度，同時保持良好的循環性能，同時保持高密度。它們之間的導電鏈接=可以用錫絲串在一起。錫是一種密度比硅高兩倍的材料。這時，我們考慮更多的使用一些高密度的材料作為它的電極。當然，這些階段性成果也用在了t……ay的二代電池，現在也有人開始在二代電池里用了。這個項目的目標是生產1000Wh/L的動力電池，去年年中達到750Wh/L，今年年底達到850~900Wh/L，預計2024年達到1000Wh/L。

這些都不是一家公司能做到的。以前我們自己努力，現在請同事一起。因此，我們在松山湖建立了一個能源材料和設備的創新工廠，并與許多商界同仁合作。他們都是我們下一代電池的合作伙伴。這個合作機制是對整車企業、電池企業、材料企業開放的。這也是公共材料實驗室向社會開放公共資源的一次重要嘗試。歡迎大家有機會來松山湖指導。大家一起努力，看看在突破第三代材料，走向動力電池產業化的過程中，能不能合作做點什么。我廠有專門的服務體系，我們盡力提供相應的支持。

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