中科院物理所黄学杰：基于材料革新的下一代动力电池

2022年9月7日，在第四届新能源与智能汽车供应链全球创新大会上，中科院物理所研究员黄表示，二代人都知道磷酸亚铁锂和三元是目前主流的动力电池，高质量发展需要升级。我就说说升级版的锂离子电池，也就是5V尖晶石镍锰电池，升级版的三元高密度高端动力电池，1000 Wh/L..

以下是中国科学院物理研究所黄研究员的发言:

感谢中国电动汽车100委员会的邀请，我有机会和大家分享基于材料创新的下一代动力电池，因为这是一个命题报告，我会按要求和大家分享我对下一代电池的这个看法。

本文主要介绍什么是第三代电池。大家都知道磷酸亚铁锂和三元是目前主流的动力电池，高质量发展需要升级。我就说说升级版的锂离子电池，也就是5V尖晶石锰酸镍锂电池，还有升级版的三元高密度高端动力电池，1000 Wh/L。

为什么他们是下一代？我刚才讲了这一代的磷酸亚铁锂和三元电池。在他们之上的第一代是锰酸锂电池。当然现在只能用在两轮车上，因为老款Leaf那些年卖的好，也只有200多公里的续航里程。如今的锂离子和三元电池已经基本解决了电动车的里程焦虑问题，所以电动车的普及率也迅速达到了20%以上。

在电动汽车和动力电池的会议上，我总是向Goodenough教授和Armand教授致敬。其中一个建议磷酸亚铁锂可以用作阴极材料，另一个建议在磷酸亚铁锂上涂覆碳。不管是什么原因，到目前为止，99%的磷酸亚铁锂材料和电池都产自中国，支撑了我们从大车和小车同步发展电动车的路线，也奠定了今天中国在电动车行业乃至储能行业的相当优势。

三元电池适用于行驶里程长的电动车。人们期望它变得更长，但不希望它不安全，也不想接受电池很贵的现状。这时候我们该怎么办？来升级它。升级有两条路线，一是提高电压，也是降低成本的一种方式。一条路线是增加产能，大多数情况下是增加成本，但我认为高端的第三代电池也必须降低成本。

对于电池产品，不代表我们提高了5%、10%，就是新一代。我认为，一代代的改进，如果不是性能倍增，也应该是能量密度提高50%，成本也降低几十个百分点，这才能叫代际变化，否则就不是，同代内的逐步优化。

其实今天大家经常说的能量密度就是比能量，也就是单位重量电池储存的能量。现在是什么水平？三元电池最高可以做到300Wh/kg，磷酸铁锂电池也可以做到200Wh/kg。

对于现在的电动乘用车，要真正讲能量密度，也就是单位体积的能量，下一代电池的重要指标就是能量密度提升50%以上。这个推广不是说加一点锰，加一点锂铁锰，加一点镍，或者加减一点钴就可以的。它是基于材料的变化。锂铁电池安全性高，成本低，资源占用少。能否将以锂铁电池为代表的大众电动车电池的能量密度提高50%，并且更加安全，成本更低？基本材料是锰酸锂镍。一公斤碳酸锂可以做第一代锰酸锂电池，差不多能做1.7千瓦时，三元电池用电量少一点。磷酸亚铁锂可以做2.1度电，所以磷酸亚铁锂便宜，不仅铁便宜，每度电用的碳酸锂也少。然而，…你做一个锰酸锂镍电池，1公斤碳酸锂可以做2.95千瓦时，大大减少了碳酸锂的用量，有资源利用价值。当然分子式中也有无钴低镍。

有哪些挑战？必须充电到4.9V，不像锂离子充电到3.65V或者三元充电到4.2V或者4.3V..电压越高，能量越高。如果用同样的水来提高水头，可以产生更多的电。但三峡大坝的修复难度比葛洲坝大大增加。水泥不一样，砂浆一样，对石材的要求可能不一样。有许多需要改进的地方。

今天，基于材料技术的进步，阴极材料本身的稳定性问题已经得到解决。它被充电到4.9V，即使在55度，循环性能也优于当今典型的三元材料。但是，就像建三峡大坝，光用石头不行，还要用水泥和砂浆。粘合剂、导电添加剂甚至集流体的表面处理都得满足高压充电的要求，这样才能承受更高的电压。

这个东西做好了，我们就可以用更少的锂做一个单位体积容量增加50%的柔性电池，这样的电池可以循环使用3000次以上。同时保持了较高的安全性能和优异的低温性能，低温性能可与锰酸锂相媲美，这也是一项重要性能。

如今，在珠三角松山湖材料实验室建设的材料中试线和电池中试线正在推圆柱形、软袋、方壳三种电池。我们正在与同行进行测试，看他们是否能成为我们电池汽车的下一代电池。这是位于实验室两个园区的两个基地，一个是材料的研发基地，一个是电池的研发基地。

我想接下来你可能会问，有没有三元电池的升级版？我刚才说的锰酸锂镍电池可以做到650Wh/L，比今天的三元动力电池高不了多少。三元如何提高50%的能量密度？即提高到1000 wh/L，2019年起，科技部在转化技术专项中布局高体积能量密度电池项目。基于材料的变化，不再以Wh/kg为指标，其中正极材料指标取Wh/L，负极材料指标取Ah/L，其目标不再取MAH/G，项目正在实施中。

取得了哪些成果？我先向你汇报其中的一些。

首先，层状镍基材料具有高的比容量。如何增加其密度，使其成为致密材料？请看这种材料的能量密度已经超过了3000Wh/L(相对于金属锂)。其次，它应该被致密化，因为这样的材料不能制成单晶。众所周知，镍811很难做成单晶，镍90几乎不可能做成单晶。我们的解决方案是将纳米一次离子的多晶体做成致密的二次球材料，并使其稳定。当然，这种材料技术也在目前的三元体系中使用。

另外，用什么方法使负极材料具有更高的密度？合金化的锂存储材料，如硅和锡，可以放入铜皮中，此时可以增加其密度，同时保持良好的循环性能，同时保持高密度。它们之间的导电链接=可以用锡丝串在一起。锡是一种密度比硅高两倍的材料。这时，我们考虑更多的使用一些高密度的材料作为它的电极。当然这些阶段性成果也用在了今天的二代电池上，现在也有人开始用在二代电池上了。这个项目的目标是生产1000Wh/L的动力电池，去年年中达到750Wh/L，今年年底达到850~900Wh/L，预计2024年达到1000Wh/L。

这些都不是一家公司能做到的。以前我们自己努力，现在请同事一起。因此，我们在松山湖建立了一个能源材料和设备的创新工厂，并与许多商界同仁合作。他们都是我们的下一代……n电池伙伴。这个合作机制是对整车企业、电池企业、材料企业开放的。这也是公共材料实验室向社会开放公共资源的一次重要尝试。欢迎大家有机会来松山湖指导。大家一起努力，看看在突破第三代材料，走向动力电池产业化的过程中，能不能合作做点什么。我厂有专门的服务体系，我们尽力提供相应的支持。2022年9月7日，在第四届新能源与智能汽车供应链全球创新大会上，中科院物理所研究员黄表示，二代人都知道磷酸亚铁锂和三元是目前主流的动力电池，高质量发展需要升级。我就说说升级版的锂离子电池，也就是5V尖晶石镍锰电池，升级版的三元高密度高端动力电池，1000 Wh/L..

以下是中国科学院物理研究所黄研究员的发言:

感谢中国电动汽车100委员会的邀请，有机会和大家分享基于材料创新的下一代动力电池，因为这是一个命题报告，我会按要求和大家分享我对下一代电池的这个看法。

本文主要介绍什么是第三代电池。大家都知道磷酸亚铁锂和三元是目前主流的动力电池，高质量发展需要升级。我就说说升级版的锂离子电池，也就是5V尖晶石锰酸镍锂电池，还有升级版的三元高密度高端动力电池，1000 Wh/L。

为什么他们是下一代？我刚才讲了这一代的磷酸亚铁锂和三元电池。在他们之上的第一代是锰酸锂电池。当然现在只能用在两轮车上，因为老款Leaf那些年卖的好，也只有200多公里的续航里程。如今的锂离子和三元电池已经基本解决了电动车的里程焦虑问题，所以电动车的普及率也迅速达到了20%以上。

在电动汽车和动力电池的会议上，我总是向Goodenough教授和Armand教授致敬。其中一个建议磷酸亚铁锂可以用作阴极材料，另一个建议在磷酸亚铁锂上涂覆碳。不管是什么原因，到目前为止，99%的磷酸亚铁锂材料和电池都产自中国，支撑了我们从大车和小车同步发展电动车的路线，也奠定了今天中国在电动车行业乃至储能行业的相当优势。

三元电池适用于行驶里程长的电动车。人们期望它变得更长，但不希望它不安全，也不想接受电池很贵的现状。这时候我们该怎么办？来升级它。升级有两条路线，一是提高电压，也是降低成本的一种方式。一条路线是增加产能，大多数情况下是增加成本，但我认为高端的第三代电池也必须降低成本。

对于电池产品，不代表我们提高了5%、10%，就是新一代。我认为，一代代的改进，如果不是性能倍增，也应该是能量密度提高50%，成本也降低几十个百分点，这才能叫代际变化，否则就不是，同代内的逐步优化。

其实今天大家经常说的能量密度就是比能量，也就是单位重量电池储存的能量。现在是什么水平？三元电池最高可以做到300Wh/kg，磷酸铁锂电池也可以做到200Wh/kg。

对于现在的电动乘用车，要真正讲能量密度，也就是单位体积的能量，下一代电池的重要指标就是能量密度提升50%以上。这个推广不是说加一点锰，加一点锂铁锰，加一点镍，或者加减一点钴就可以的。它是基于材料的变化。锂离子电池非常安全……成本低、资源占用少。能否将以锂铁电池为代表的大众电动车电池的能量密度提高50%，并且更加安全，成本更低？基本材料是锰酸锂镍。一公斤碳酸锂可以做第一代锰酸锂电池，差不多能做1.7千瓦时，三元电池用电量少一点。磷酸亚铁锂可以做2.1度电，所以磷酸亚铁锂便宜，不仅铁便宜，每度电用的碳酸锂也少。但如果做锰酸锂镍电池，1公斤碳酸锂可以做2.95千瓦时，大大减少了碳酸锂的用量，有资源利用价值。当然分子式中也有无钴低镍。

有哪些挑战？必须充电到4.9V，不像锂离子充电到3.65V或者三元充电到4.2V或者4.3V..电压越高，能量越高。如果用同样的水来提高水头，可以产生更多的电。但三峡大坝的修复难度比葛洲坝大大增加。水泥不一样，砂浆一样，对石材的要求可能不一样。有许多需要改进的地方。

今天，基于材料技术的进步，阴极材料本身的稳定性问题已经得到解决。它被充电到4.9V，即使在55度，循环性能也优于当今典型的三元材料。但是，就像建三峡大坝，光用石头不行，还要用水泥和砂浆。粘合剂、导电添加剂甚至集流体的表面处理都得满足高压充电的要求，这样才能承受更高的电压。

这个东西做好了，我们就可以用更少的锂做一个单位体积容量增加50%的柔性电池，这样的电池可以循环使用3000次以上。同时保持了较高的安全性能和优异的低温性能，低温性能可与锰酸锂相媲美，这也是一项重要性能。

如今，在珠三角松山湖材料实验室建设的材料中试线和电池中试线正在推圆柱形、软袋、方壳三种电池。我们正在与同行进行测试，看他们是否能成为我们电池汽车的下一代电池。这是位于实验室两个园区的两个基地，一个是材料的研发基地，一个是电池的研发基地。

我想接下来你可能会问，有没有三元电池的升级版？我刚才说的锰酸锂镍电池可以做到650Wh/L，比今天的三元动力电池高不了多少。三元如何提高50%的能量密度？即提高到1000 wh/L，2019年起，科技部在转化技术专项中布局高体积能量密度电池项目。基于材料的变化，不再以Wh/kg为指标，其中正极材料指标取Wh/L，负极材料指标取Ah/L，其目标不再取MAH/G，项目正在实施中。

取得了哪些成果？我先向你汇报其中的一些。

首先，层状镍基材料具有高的比容量。如何增加其密度，使其成为致密材料？请看这种材料的能量密度已经超过了3000Wh/L(相对于金属锂)。其次，它应该被致密化，因为这样的材料不能制成单晶。众所周知，镍811很难做成单晶，镍90几乎不可能做成单晶。我们的解决方案是将纳米一次离子的多晶体做成致密的二次球材料，并使其稳定。当然，这种材料技术也在目前的三元体系中使用。

另外，用什么方法使负极材料具有更高的密度？合金化的锂存储材料，如硅和锡，可以放入铜皮中，此时可以增加其密度，同时保持良好的循环性能，同时保持高密度。它们之间的导电链接=可以用锡丝串在一起。锡是一种密度比硅高两倍的材料。这时，我们考虑更多的使用一些高密度的材料作为它的电极。当然，这些阶段性成果也用在了t……ay的二代电池，现在也有人开始在二代电池里用了。这个项目的目标是生产1000Wh/L的动力电池，去年年中达到750Wh/L，今年年底达到850~900Wh/L，预计2024年达到1000Wh/L。

这些都不是一家公司能做到的。以前我们自己努力，现在请同事一起。因此，我们在松山湖建立了一个能源材料和设备的创新工厂，并与许多商界同仁合作。他们都是我们下一代电池的合作伙伴。这个合作机制是对整车企业、电池企业、材料企业开放的。这也是公共材料实验室向社会开放公共资源的一次重要尝试。欢迎大家有机会来松山湖指导。大家一起努力，看看在突破第三代材料，走向动力电池产业化的过程中，能不能合作做点什么。我厂有专门的服务体系，我们尽力提供相应的支持。

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