中國科學院院士張鎖江：材料革命將推動電池儲能革命

2017-09-12 15:57:32 新材料在線　點擊量：評論 (0)

8月26日，中國科學院院士張鎖江在2017動力電池新材料技術與發展高峰論壇上作了題為《動力電池系統的機遇與挑戰》的精彩報告。他指出，社會可持續發展戰略對動力電池技術的突破提出了剛性需求，現今動力電池行業得

8月26日，中國科學院院士張鎖江在“2017動力電池新材料技術與發展高峰論壇”上作了題為《動力電池系統的機遇與挑戰》的精彩報告。

他指出，社會可持續發展戰略對動力電池技術的突破提出了剛性需求，現今動力電池行業得到迅猛發展，中國在2016年超越日本成為全球動力電池第一大生產制造國。但目前動力電池性能亟需提升，提高電池能量密度是眾多待突破技術中的核心。目前最有效的解決策略是在電極材料和電解液領域進行技術創新。

化工是一個從系統的角度來研究和解決問題的學科。動力電池就是一個非常“大”而復雜的系統，從系統的宏觀角度更容易發現和解決動力電池發展中遇到的瓶頸問題。張鎖江院士就動力電池系統發展中所遇到的機遇和挑戰從三個方面進行了論述。首先從全球社會發展趨勢和中國自身的特點就動力電池發展的必要性進行了論述，他指出發展動力電池對實現產業升級和發展智慧型能源網絡具有重要意義。其次，提升動力電池性能不僅需要提升電極材料、電解液和隔膜等關鍵材料的性質，還要從系統工程的角度通過優化來提升其兼容性和電芯的制造工藝。最后在對動力電池未來發展的展望中，他指出未來動力電池將從目前的液態鋰離子電池過渡到更加安全的凝膠型和固態電池，同時也需要從鋰資源的有限性來推進其高效循環開發和利用。

以下為演講實錄，有部分整理：

動力電池系統面臨著怎樣的機遇和挑戰呢？今天報告主要分成三個部分：第一部分講一下世界的大趨勢，分析世界的形勢和中國的政策；第二部分是分享一下我們自己做的工作；第三部分則是一些展望。

一、機遇與挑戰

首先談談世界的大趨勢。我們如今身處“地球村”，互聯網等媒介將全世界都連接在了一起。事實上，新材料在線®正是借著互聯網大時代的春風發展起來的。當前世界的主題是和平與發展，在座的每一家企業、每一位專家都是懷著和諧發展或共同發展的目的來參會的。當代另一個明顯的重要特征：科技發展日新月異，比如一種材料會迅速被另一種材料所取代，我們講求科技創新，而因為科技創新速度的加快，產業結構升級也加快了。我們屬于化工產業，材料也屬于化工范疇，但它從規劃到產業化的周期非常漫長，已經不適應這個時代的發展要求了，亟待從過程工業的角度來優化升級，也表明世界的大趨勢給產業界、學術界提出了更大的挑戰。

這個大挑戰反饋給科技創新，會帶來什么樣的趨勢呢？科技上的大趨勢交叉融合，要求綠色化、智能化、高值化。具體到重要研究方向，我認為是新能源、新材料、生命健康和綠色環保。

談到能源，國家領導對此非常重視。在2014年6月13日的中央財經領導小組第六次會議上，國家領導人指出要推動能源的革命，包括消費、供給側、技術和體制革命四個方面。而只有技術革命才能推動供給、消費和體制革命，所以能源技術革命在能源革命中起決定性作用，必須擺在能源發展全局的核心地位。黨中央、國務院也確定設立能源、信息等領域的國家實驗室，這也進一步證明了能源的重要性。

目前，我們國家的能源結構是富煤、少氣、缺油，迫切需要轉型。到2050年清潔能源將占據我國總能源的50%以上，因此使用清潔能源如水電、太陽能、風能等，是國際大趨勢。總體上，能源結構是要從高碳向低碳發展，新能源占比不斷增加，同時要把電能系統網絡化、智能化。

為什么要發展清潔能源呢？我們國家處在生態建設之中，十八屆三中全會提出了“五大建設”，其中就提到了“綠色化”。世界各國都非常重視風能、太陽能、地熱能、海洋能、水電、生物質能等新能源的開和和利用，我們國家提出驅動以新能源和可再生能源為主體的能源供應體系盡早形成。新的能源必須構建新的系統，大家看到這個新能源電力系統圖中包括風能、太陽能，地熱能、潮汐能等，它們一個共同的特點就是波動性強，有波動就必須要儲能，因此大規模的儲能是新能源電力系統是否能穩定使用的核心技術之一。

電動汽車將對世界能源格局的變化產生深遠影響，目前全世界都在大力發展電動汽車。2016年，我國電動汽車銷量突破50萬輛，預計2020年的產量將達到200萬輛，產值超過6000億元。我國原則上不再核準新建燃油汽車項目，并嚴格控制現有汽車企業擴大傳統燃油車產能。國外方面，在G20漢堡峰會上，法國、德國、印度、挪威等國家明確表態將全民禁售燃油車，松下、三星、LG等知名公司著手大力發展電動汽車電池市場，已開啟車用電池“大戰”。電動汽車已不僅僅只是一輛車，而是一個新的機遇。它將能極大地解決環境污染問題、能源危機、同別國的爭端問題，同時促進智能車的發展，并通過車聯網讓“地球村”聯系得更緊密。

電動汽車將通過智能電網與新能源發電共同發展。電池儲能是一個大的系統，在很多領域上都能應用，比如3C產品、電動汽車、智能穿戴、航空航天和規模儲能等。每一個領域對電池的要求都不一樣，比如3C產品需要的是小型化、高能量的電池，而電動汽車則要求高能量、高功率、長壽命的電池。

實際上，電池儲能是一個產業鏈，從國家的角度來講要建立貫通研發的模式，關鍵技術主要靠科學院、科研機構來解決，當然也包括一些企業的研發中心。那企業主要做什么呢？企業要做關鍵示范，然后再推廣。目前，從材料、器件到系統這樣一個貫通的研發模式已經存在，只是仍然比較松散。大家都說科技成果轉化力不夠，事實上是從ABC到XYZ的鏈條沒有做好，這里面包含了一個系統的研發模式，包括從分子水平分析、納微成像到中試、工業示范、實況產品檢驗等，主要的挑戰是動力電池、規模儲能、特種電池的放大效應，需要科研和產業界聯合起來，構建一個完整的、先進的研發大平臺。

關于鋰電池的研究，大視野下的納微原位解析是非常重要的，要建立跨尺度的模擬仿真技術，特別是納米級別的模型尤為重要，但這一條研究鏈并沒有建立起來。另外，智能大數據系統急需建立，剛才新材料在線®和尋材問料也提出來了，這個大數據系統要服務于成千上萬家的企業，成為科研單位、企業和用戶之間的橋梁和紐帶。除此之外，要建立共享的理念。共享是沒有邊界的，比如北京的中關村、懷柔、上海、深圳、廣州和香港等地都可以共享人才、共享平臺、共享資源、共享成果，這個理念非常重要。

那具體在運作模式上是如何實現的呢？大家來自五湖四海，股份制是最好的，新的運作模式就是共同創造、共同分享、引領未來。如果我們要建一個國家級的大平臺，一定要做到“三總”（總指揮、總工程師、總保障師），分工協作。總工僅僅負責技術方面的事情，資金或者其它事務讓總指揮來做，另外有總保障師做后勤保障。

我們正在面臨著一個歷史性的重大機遇，中國2016年已經超越日本成為全球電池儲能第一大國，而且動力電池產業發展迅猛，2016年銷量達到30GWh。科研方面，全釩液流電池實現產業化，鋰液流電池進入示范階段。中國強大的經濟社會發展對電池儲能技術突破提出了剛性要求。

二、研究進展

這部分主要講講我們目前的研究進展，針對動力電池、超級電容和儲能電池。

先講動力電池。動力電池目前主要存在四方面問題：一、續航里程短、成本高；二、充電速度慢；三、安全性差，易燃易爆；四、環境適應性差。在全世界范圍來看，這些問題都是普遍存在的，其中續航里程短可以歸結為能量密度低。怎樣讓動力電池既便宜又擁有高能量密度呢？這是一個很難解決的問題。我們最近與北京協同創新研究院、美國康奈爾大學都有在研討這個問題。

能量密度要提高到300Wh/kg，電極材料和電解液的創新是根本，這也是一個系統的問題。電極材料方面，我們要從磷酸鐵鋰/石墨體系過渡到三元/石墨體系，未來朝向高鎳三元/硅碳體系發展。電解液則是從常規的4.2V電解液往高壓電解液（4.8-5.0V）發展。總的來說，提高動力電池性能，需要解決高容量電極材料問題、高壓高安全電解液問題、電芯及電池組工藝問題。我們這些年組建了從材料到系統的協同創新團隊，研究電極材料、新型電解液，并和企業合作進行電池組裝測試實驗。