劉興江：電池技術(shù)研究新進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展展望
5月22日，CIBF2018 第十三屆中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開(kāi)幕。中國(guó)電科集團(tuán)首席科學(xué)家劉興江博士在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
報(bào)告的題目是電池技術(shù)研究新進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展展望。電池行業(yè)到今天為止發(fā)展很快，但是有很多問(wèn)題。我們有哪些進(jìn)展，后期應(yīng)該怎么辦？這些是我們關(guān)心的問(wèn)題。我的報(bào)告分五個(gè)方面，電池在我們國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一起著很重要的作用，無(wú)論是在新能源、新材料以及電動(dòng)汽車(chē)，都有很重要的應(yīng)用，電池行業(yè)的發(fā)展越來(lái)越快。整個(gè)市場(chǎng)走向也非常好，到2020年的電池發(fā)展趨勢(shì)。2017年我們國(guó)家的電車(chē)占全球的52%，應(yīng)該說(shuō)是全球第一了。而且全球的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了148GWh，增長(zhǎng)主要來(lái)來(lái)自于電動(dòng)汽車(chē)的拉動(dòng)，到2017年底，全球動(dòng)力電池的銷(xiāo)售排名（PPT），EATL排名第一，然后是松下、比亞迪。
作為技術(shù)，應(yīng)該也是發(fā)展的比較快，而且各個(gè)國(guó)家也制定了自己的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，包括前面肖教授介紹了中國(guó)政府，無(wú)論是研發(fā)還是產(chǎn)業(yè)化，都有相應(yīng)的項(xiàng)目在開(kāi)展?？偟膩?lái)說(shuō)，電池的發(fā)展，除了鋰離子電池繼續(xù)提升比能量以外，在新體系的探索上有艱苦的工作。包括固態(tài)電池，包括鋰流電池新體系?？偟哪繕?biāo)是圍繞400-500瓦時(shí)/公斤，這是到2020年左右要實(shí)現(xiàn)的，這是研發(fā)水平。產(chǎn)業(yè)化，估計(jì)在2025-2030之間，相對(duì)比較客觀的一個(gè)估計(jì)。
中國(guó)政府制定的規(guī)劃，把電池分為三步走，第一步已經(jīng)基本配套實(shí)現(xiàn)接近200瓦時(shí)/公斤的設(shè)備。“十三五”要達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，下一代作為探索新體系，瞄準(zhǔn)的是500瓦時(shí)/公斤，甚至是更高的比能量布局。
時(shí)間這些目標(biāo)，這些體系，從政府層面也好，或者是各研究部門(mén)也在探索新的材料體系，包括鋰離子電池是不是走高內(nèi)部線，負(fù)極是不是用硅碳，總固態(tài)電池怎么走，有一些相應(yīng)的計(jì)算?？偟膩?lái)講，行業(yè)發(fā)展的很快，市場(chǎng)也在增長(zhǎng)，新的研究方向不斷的展開(kāi)。
第二部分介紹中國(guó)電池工業(yè)的整體狀態(tài)，我們做了一個(gè)統(tǒng)計(jì)，在所有的各種電池里面，應(yīng)該說(shuō)取得增長(zhǎng)的是鉛酸電池，還有鋰離子電池，鉛酸電池增長(zhǎng)的很穩(wěn)健，鋰離子電池增長(zhǎng)的是最快的。在堿性電池，無(wú)論是蓄電池還是元電池，基本上是下降的，這是我們行業(yè)協(xié)會(huì)在國(guó)內(nèi)做的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（PPT）。國(guó)內(nèi)有關(guān)動(dòng)力電池的應(yīng)用，這個(gè)排名做了前20名的統(tǒng)計(jì)，沒(méi)有國(guó)外的公司，都是一些國(guó)內(nèi)的公司，寧德，比亞迪是遙遙領(lǐng)先，沃特瑪最近有些麻煩，比亞迪也有些問(wèn)題，整個(gè)行業(yè)最近新聞比較多。
作為動(dòng)力電池的選擇，正極材料非常關(guān)鍵，現(xiàn)在基本上這三類(lèi)，一類(lèi)是三元材料，以及程狀（諧音）的材料。漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)，錳酸鋰或者是內(nèi)蒙酸鋰，然后是磷酸鹽，這三類(lèi)在動(dòng)力電池都有應(yīng)用。大家可以看到下面的餅圖（PPT），2016年磷酸鐵鋰是主流，達(dá)到70%的份額，但是到2017年情況發(fā)生了變化，三元材料已經(jīng)增長(zhǎng)到45%，接近磷酸鐵鋰的增長(zhǎng)，由于政府的補(bǔ)貼，比能量提高了引導(dǎo)的結(jié)果。同時(shí)也是電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)歷程的續(xù)航要求。同時(shí)大家關(guān)注這兩項(xiàng)是并存的，并不是說(shuō)誰(shuí)要取代誰(shuí)，各有各的應(yīng)用場(chǎng)所。
各種外形，圓、方、聚合物矩的選擇，超過(guò)一半的電池是方形的，主要還是由于磷酸鐵鋰大容量化以后方形結(jié)構(gòu)最合理，用在大巴車(chē)上或是物流等各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)方形和聚合物這一塊也有相應(yīng)的比重，尤其是21700電池出來(lái)以后，它的市場(chǎng)占有量有一定程度的增長(zhǎng)。
我們國(guó)家典型廠家的電池產(chǎn)業(yè)化，量產(chǎn)配套的，已經(jīng)應(yīng)用的電池的技術(shù)水平。首先，可以看到大方形，能量做到200以上，肯定是磷酸鐵鋰，它的比能量可以達(dá)到163和165瓦，磷酸鐵鋰通過(guò)單體電池大容量化，它的比能量也可以得到很大的提高，有一些嘗試做到180瓦時(shí)/公斤，磷酸鐵鋰本身還是有一定的生命力。
采用三元材料的方形電池，也是兩個(gè)典型廠家的數(shù)據(jù)，能量是51、43的水平，比能量可以做到181、200瓦時(shí)/公斤，還有一定的優(yōu)化空間，現(xiàn)在基本上是采用532為主。
圓柱，裝車(chē)以后系統(tǒng)提升最高的是圓形電池，21700電池的典型特性，力神的數(shù)據(jù)，做到3.8ah，在這個(gè)條件下可以做到比能將近200瓦時(shí)/公斤，平均是522瓦時(shí)/升，如果單體做到4瓦時(shí)，比能做到256是沒(méi)問(wèn)題的。
聚合物，高電壓材料，都可以采用這種結(jié)構(gòu)。（PPT）兩個(gè)公司的數(shù)據(jù)，能量不一樣，因?yàn)榘b輕量化，比能量可以做到200以上，還有一個(gè)是接近300瓦時(shí)/公斤，這些都是產(chǎn)品的數(shù)據(jù)。
磷酸鐵鋰，東芝做的不錯(cuò)，國(guó)內(nèi)也有廠家在嘗試，做成聚合電池以后，比能量是120瓦時(shí)/公斤，可以和一些磷酸鐵鋰電池，或者是說(shuō)酸鋰電池有一定的競(jìng)爭(zhēng)潛力。
除了比能量提升以外，還有一個(gè)就是如何降低成本，到2020年政府補(bǔ)貼就沒(méi)有了。降成本主要是兩個(gè)方面，一方面是靠電池本身技術(shù)，或者是材料成本，或者是制造成本的降低。另外，提升比能量，賣(mài)電池基本上是按瓦時(shí)或安時(shí)來(lái)算的，提升比能量可以把價(jià)格降下來(lái)。另外，怎么形成規(guī)模效應(yīng)，打造產(chǎn)業(yè)鏈，或者是整個(gè)電池材料的循環(huán)領(lǐng)導(dǎo)，這些形成以后，可以在成本上有一定的下降空間。現(xiàn)在有的可以做到0.6元瓦時(shí)/公斤，這樣的話就很有競(jìng)爭(zhēng)力。
接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下研發(fā)方面的典型結(jié)果，應(yīng)該說(shuō)，下一代電池的研發(fā)在國(guó)內(nèi)應(yīng)該做的很多，而且體系大部分集中在鋰系列，鋼能鋰電池，還有固態(tài)電池，無(wú)論是在國(guó)家還是各個(gè)企業(yè)自己的計(jì)劃里面都在積極投資，還有鋰流電池，輕金屬空氣電池，納離子電池等等，這些新體系，哪些更接近，或者是將來(lái)應(yīng)用的可能性，簡(jiǎn)單介紹一下國(guó)內(nèi)的研究狀態(tài)。
在國(guó)家專(zhuān)項(xiàng)的牽引下，300瓦時(shí)/公斤，肖教授已經(jīng)介紹了，應(yīng)該說(shuō)取得一定的進(jìn)展，它的材料組成，基本上正極是用鋼內(nèi)（諧音）NCM811材料負(fù)極是用硅碳復(fù)合材料，或者是鹽酸亞硅碳復(fù)合材料，這些材料組成做的可以超過(guò)300瓦時(shí)/公斤，國(guó)內(nèi)四家都在做。存在的問(wèn)題，安全性還有隱患，循環(huán)壽命還不是特別理想，就這兩個(gè)問(wèn)題。
中國(guó)特色的一個(gè)研究進(jìn)展，也是在863項(xiàng)目的推動(dòng)下，瞄準(zhǔn)500瓦時(shí)/公斤的鋰離子電池體系，比方說(shuō)北大的夏教授提出來(lái)的銀離子補(bǔ)償?shù)母讳囧i基以及其他的富鋰材料，合金負(fù)極進(jìn)行組合，有可能做到400瓦時(shí)/公斤，甚至可以沖擊500瓦時(shí)/公斤，這個(gè)研究值得關(guān)注，但也要關(guān)注應(yīng)用的安全性問(wèn)題，以及它的循環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題。
接下來(lái)第二部分介紹一下固態(tài)，無(wú)論是從安全性，還有壽命來(lái)說(shuō)，都很有競(jìng)爭(zhēng)力。（PPT）在歐美有很多初創(chuàng)的廠家在這方面進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，在東亞，包括中日韓這三個(gè)國(guó)家投入或進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的公司都在嘗試用聚合物體系，或者是無(wú)機(jī)的，或者是復(fù)合的，或者是混合狀態(tài)的，總固態(tài)的，都在做它們的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以及有一部分整車(chē)配套。國(guó)內(nèi)典型的幾個(gè)例子，比方說(shuō)原來(lái)以中科院寧波所為代表的做了硫化物，以及氧化物和聚合物的復(fù)合體系，進(jìn)行了小規(guī)模的一些實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，后來(lái)把技術(shù)轉(zhuǎn)到干邦鋁業(yè)進(jìn)行終實(shí)（諧音）。
針對(duì)固態(tài)電池的界面，穩(wěn)定性，離子性抑制的研究，其中有兩條路線，一個(gè)是采用軟界面，用聚合物做電解質(zhì)的構(gòu)鍍，另一個(gè)是在線形成構(gòu)鍍層，自動(dòng)形成離子導(dǎo)電層，避免其他的處理。通過(guò)界面的材料選擇，通過(guò)正極、負(fù)極材料體系，至少在類(lèi)似4伏的磷酸蒙鐵鋰材料是可以用的。我們自己的電池可以做出實(shí)驗(yàn)室的樣品出來(lái)。
納離子電池，我們?cè)谟懻摷{離子電池將來(lái)有沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，鋰資源一直成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，雖然說(shuō)回收利用可以解決一部分問(wèn)題，畢竟儲(chǔ)量有限。納離子不存在資源的問(wèn)題，納離子也是一個(gè)資源的選擇，比如說(shuō)正極材料可以用一些呈裝的，也可以用離子材料。負(fù)極可以用各種碳材料，還有氧化物材料，除了石墨。對(duì)低成本化，或者是將來(lái)資源的問(wèn)題，還是很好的一個(gè)選擇。其中成中化合物，我們舉了一個(gè)自己的結(jié)果，中科院物理所的過(guò)渡金氧化物，P2各0.6，碳1.4，以及通天錳（諧音）材料，有的可以超過(guò)100毫安時(shí)/克。林子反那（諧音）的材料，平臺(tái)電壓相對(duì)比較高，而且也不是循環(huán)穩(wěn)定的。這是正極材料，負(fù)極材料，武安每（諧音）也是胡教授的一個(gè)結(jié)果，還有我們用軟碳材料，基本上可以做到260-370之間，生物制的材料也可以接近300毫安/克的能量。我們做成樣品電池，也可以很好的充放電，以及循環(huán)。還有物理所已經(jīng)在推小規(guī)模的應(yīng)用。
在鋰流或鋰空氣電池研究這一塊也有很好的結(jié)果，在這里就不多說(shuō)了。將來(lái)會(huì)怎么樣？市場(chǎng)很重要，將來(lái)的市場(chǎng)到底會(huì)怎么發(fā)展？2025年之前，這個(gè)行業(yè)還是應(yīng)該非常健康的會(huì)高速的發(fā)展，市場(chǎng)容量會(huì)越來(lái)越大，主要的拉動(dòng)還是靠動(dòng)力電池。
第二就是體系，針對(duì)儲(chǔ)能也好，或者是動(dòng)力汽車(chē)，或者是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，可以有一些不同的材料體系的選擇，根據(jù)它的應(yīng)用，電池體系也會(huì)不一樣。包括燃料電池會(huì)不會(huì)出來(lái)，跟國(guó)家產(chǎn)業(yè)的布局，這是幾起幾落的，會(huì)不會(huì)成為主流或應(yīng)用，我們還是拭目以待。
對(duì)于產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，我們首先覺(jué)得這個(gè)技術(shù)進(jìn)步在加快，固態(tài)電池的技術(shù)逐步產(chǎn)業(yè)化，但是這種體系一定是長(zhǎng)期并存的。磷酸鐵鋰和三元材料誰(shuí)是主流，一定是并存的。動(dòng)力電池的應(yīng)用還是主流，但是儲(chǔ)能，像物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也會(huì)發(fā)展很快，預(yù)測(cè)目前是動(dòng)力車(chē)，將來(lái)提供的方式會(huì)有一定的變化，包括配套的基礎(chǔ)設(shè)施能不能和無(wú)人駕駛相配合等等。應(yīng)用還是比較寬的。
第三，鋰電池行業(yè)是高速發(fā)展的，尤其是這兩年國(guó)內(nèi)擴(kuò)張?zhí)貏e快，但是擔(dān)憂也特別大，因?yàn)楹芏喙緫?yīng)該說(shuō)是不掙錢(qián)，應(yīng)該說(shuō)真正掙錢(qián)的沒(méi)有幾家。這個(gè)行業(yè)面臨很大的問(wèn)題。低端產(chǎn)能的建設(shè)到底有沒(méi)有必要，前幾天在微信圈有人傳我們國(guó)家的鋰電產(chǎn)能已經(jīng)到200GWh的規(guī)模。但是看行業(yè)的開(kāi)工率不到35%，產(chǎn)能大大過(guò)剩。低端產(chǎn)能要淘汰，而且行業(yè)會(huì)做整合。
電池行業(yè)整個(gè)增長(zhǎng)，鋰離子電池增長(zhǎng)比較快。我們新的體系，包括300瓦時(shí)/公斤，或者是300瓦時(shí)/公斤以上的材料體系基本上算確定。固態(tài)電池應(yīng)該說(shuō)目前還是最熱的，而且我們通過(guò)計(jì)算，還是有超過(guò)500瓦時(shí)/公斤的理論潛力。更便宜的電池體系，納離子電池，以及其他的電池體系也可以關(guān)注。以上是我的報(bào)告，謝謝大家！
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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