再次冲击固态锂电池

如今，中国已经成为名副其实的电动汽车大国，中国锂离子电池产量和产能居全球第一。统计数据显示，2022年，全球70%的锂离子电池、99%的磷酸铁锂正极材料由中国企业生产。

中国锂电池如何保持世界领先地位？陈立泉心中早有设想：必须发展固态锂电池。“固态锂电池依然是未来可再充电池技术的核心。抓住第一机会才能掌握主动权。”这一20世纪70年代因各方条件不成熟而被搁置的理想，被陈立泉再次提及。他敏锐地察觉到，是时候再次向固态锂电池发起冲击了。

发展固态锂电池，有其必然性。锂离子电池的能量密度达到每公斤300瓦时已接近极限，燃烧与爆炸等安全事故时有发生。因此，未来要想将能量密度提高到每公斤500瓦时，就必须发展固态锂电池。由于固态锂电池是用固态电解质替代液体电解质，能够避免燃烧和爆炸的危险，安全性大大提高。

陈立泉说，放眼世界，美国寄希望于锂硫、锂空等下一代高比能二次锂电池，同时希望在下一代锂电池硅基负极和层状多元过渡金属氧化物材料领域取得突破；日本、韩国则在硫化物固体电解质研究方面技术领先、知识产权积累深厚，在保持优势的同时不断开拓创新。

“下一代锂电池应是全固态锂电池。如果我们将全固态锂电池技术攻克了，再去做锂硫、锂空电池，相关技术难题就会迎刃而解。”这一次，陈立泉更加自信。

固态锂电“保持领先”

2013年，陈立泉提出中国固态锂电池的发展愿景——争取5年实现产业化。

中国科学院过去数十年的研究和产业化实践，为这一愿景打下了坚实基础。为了尽可能利用现有锂离子电池的生产设备和技术工艺，陈立泉和团队成员提出了“原位固态化”的方案：在现有的锂离子电池电解液中增加添加剂，让正负极表面的固体电解质层变厚，直至液体电解质完全变成固体。

2016年，物理所孵化的北京卫蓝新能源公司（以下简称卫蓝新能源）成立，使原位固态化技术实现了产业化。2018年，能量密度每公斤300瓦时的固态电池进行装车试验。2019年，卫蓝新能源固态电池产品在能量密度、功率密度和安全性等方面均为世界第一。

愿景的实现需要攻坚克难，为此，物理所团队持续奋斗着。

2013年，中国科学院启动战略性先导科技专项（A类）“变革性纳米产业制造技术聚焦”，物理所研究员李泓担任其中长续航动力锂电池项目的首席科学家，纳米硅负极材料得到了支持。2017年，溧阳天目先导电池材料科技有限公司成立，纳米硅负极材料在工程上加速发展，并最终实现了大规模量产，为我国锂离子电池能量密度超过每公斤360瓦时作出了贡献。

李泓解释说，与石墨材料相比，硅碳作为负极材料优势更佳，硅材料的理论质量比容量最高可达每克4200毫安时，远大于石墨的每克372毫安时，是目前已知负极材料中理论比容量最高的材料。

“可实用化的固态电解质材料、固固界面问题，以及使用固态电解质材料后现有正负极材料能否在电池中发挥得更好，过去液态电解质不能用的正负极材料是否有重新应用的机会，是否有新正负极材料更适应固态电解质……这些都是需要广泛深入研究的问题。”李泓说。

“我们在20世纪70年代想做的全固态锂电池，今天应该可以‘复活’了。”黄学杰感到很欣慰，他们在做一件被事实证明越来越好的事情。“可能还需要10到15年的时间，全固态锂电池会被越来越多的企业和用户接受，这一代电池性能与安全性将会成倍提升。”

为了加快这一进程，陈立泉呼吁，锂电池企业应尽快与科研单位和原材料企业合作，解决应用新的电池材料及电池体系的科学技术和工程问题，在短期内生产出高能量密度的合格电池产品。同时，要破除对国外装备和技术的迷信，尽快用先进国产设备“武装”锂电企业，增强我国锂电产品的国际竞争力。“学术界、工程界、产业界联手，基础研究与应用研究紧密结合，加快研究成果产业化进程。”

如今，当年的3人小组已经发展成百人大团队，固态离子学与能源材料课题组也成为物理所历史上唯一成功“复活”的课题组。

尽管在所有储能技术中，锂离子电池能量转换效率最高、综合性能最好，但锂资源供应存在挑战。目前我国70%的锂资源依赖进口，供应链上存在风险，且难以同时满足交通、智能电网和可再生能源大规模储能的需求。

“一旦在供应链上出现风险，对我们损害极大，我们必须开辟新赛道，开发不受资源限制的电池体系。钠离子电池是一个极佳选择。”物理所清洁能源实验室主任胡勇胜研究员说。

中国科学院提前布局钠离子电池基础研究，在国家需要的时候能够挺身而出，物理所团队提出多种新型钠离子电池正极材料（含铜基氧化物）和负极材料（煤基碳材料）。两年时间里，国内首个钠离子软包电池和圆柱电池在物理所相继诞生。

2017年，基于物理所核心正负极材料的知识产权，国内首家钠离子电池企业中科海钠应运而生。

2019年3月，世界首座100千瓦时钠离子电池储能电站在江苏溧阳诞生。2021年6月，研究团队在山西太原推出全球首套兆瓦时钠离子电池光储充智能微网系统，并成功投入运行。2023年12月，团队向南方电网交付十兆瓦时钠离子电池用于储能系统试制验证和性能评估。

“我国钠离子电池不论是在材料体系和电池综合性能等技术研发方面，还是在产业化推进速度、示范应用以及标准制定等方面均处于国际前列，已具备先发优势。”胡勇胜说。

如今，距离最初陈立泉开启电动汽车电池材料研究已过去近半个世纪。几十年来，材料更新、技术迭代，物理所打造了一个又一个电池新高地。唯一不变的，是一代代科研人员勇攀高峰、敢为人先、淡泊名利、潜心研究的精神血脉。

在一次电动汽车论坛上，陈立泉再次描述了他对电池未来发展的期望：“固态电池大干快上，引领电动中国；钠离子电池并驾齐驱，助推能源互联。”

2024年新年前夕，国家主席习近平通过中央广播电视总台和互联网，发表了二〇二四年新年贺词。其中提到，新能源汽车、锂电池、光伏产品给中国制造增添了新亮色。中国以自强不息的精神奋力攀登，到处都是日新月异的创造。

中国的锂电池正突破重围、势不可挡。

（来源：《中国科学报》）