李泓 中科院物理所研究員，衛(wèi)藍(lán)新能源首席科學(xué)家

尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位嘉賓，大家好。我是中國(guó)科學(xué)院物理研究所的李泓，非常榮幸能在第七屆中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)論壇，新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)汽車論壇上作報(bào)告。今天跟大家交流分享的內(nèi)容是融合發(fā)展的動(dòng)力與儲(chǔ)能電池技術(shù)。我的報(bào)告分成三個(gè)部分，首先是背景介紹，接下來(lái)介紹固態(tài)電池技術(shù)體系，最后分享對(duì)動(dòng)力儲(chǔ)能電池發(fā)展路線圖的看法。

眾所周知，先進(jìn)電池在各個(gè)領(lǐng)域都是非常重要的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，特別是對(duì)于交通運(yùn)輸、清潔能源、國(guó)家安全、工業(yè)制造等各領(lǐng)域起著關(guān)鍵的支撐作用，也是實(shí)現(xiàn)和推動(dòng)電動(dòng)中國(guó)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

【資料圖】

在國(guó)家能源中長(zhǎng)期科技規(guī)劃中，我們已經(jīng)明確了七大能源發(fā)展方向，包括煤炭、可再生能源、核能、智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能、氫能和能源消費(fèi)，其中儲(chǔ)能和氫能是第一次列入了能源中長(zhǎng)期科技規(guī)劃。通過7個(gè)能源方向的發(fā)展，希望能實(shí)現(xiàn)清潔低碳、安全高效的戰(zhàn)略目標(biāo)?？傮w來(lái)說，發(fā)展可再生能源，發(fā)展規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，發(fā)展電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)技術(shù)，是優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的國(guó)家戰(zhàn)略，也是實(shí)現(xiàn)2030碳達(dá)峰，2060碳中和的主要技術(shù)路徑。

各種儲(chǔ)能技術(shù)可以分為三大類，包括儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)小于30分鐘的短時(shí)高頻儲(chǔ)能技術(shù)，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)在4個(gè)小時(shí)以內(nèi)的中短時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能技術(shù)，以及超過4個(gè)小時(shí)單次儲(chǔ)能的超長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)。分別滿足短時(shí)高頻、中短時(shí)長(zhǎng)和超長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)。

總體來(lái)說，具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、安全性，較低初裝成本和全壽命周期度電成本，沒有資源發(fā)展的限制，能夠支撐智能運(yùn)維調(diào)度，能最好地滿足重大應(yīng)用場(chǎng)景的儲(chǔ)能技術(shù)，未來(lái)將占據(jù)主導(dǎo)。十四五發(fā)展的目標(biāo)，就是支撐50%以上占比的可再生能源發(fā)電裝機(jī)友好并網(wǎng)和全額消納，實(shí)現(xiàn)度電成本低于0.2元，服役壽命大于20年，循環(huán)周次大于1.5萬(wàn)次，安全可靠的達(dá)到吉瓦時(shí)規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)，相關(guān)的材料裝備和軟硬件實(shí)現(xiàn)百分百的自主可控。

在交通電動(dòng)化和能源清潔化方面都需要先進(jìn)的電池技術(shù)。那么在動(dòng)力電池方面，需要滿足從電動(dòng)滑板車、自行車到乘用車、商用車、重卡、船舶、飛行汽車以及電動(dòng)飛機(jī)等各類交通工具的全面電動(dòng)化。

在儲(chǔ)能方面，從戶外的移動(dòng)儲(chǔ)能到戶用儲(chǔ)能，到通訊基站備用電源，工商業(yè)用戶端的儲(chǔ)能，綠色建筑數(shù)據(jù)中心，分布式儲(chǔ)能以及大規(guī)模的調(diào)頻調(diào)分等12種應(yīng)用場(chǎng)景，也希望發(fā)展具備本質(zhì)安全，高的能量轉(zhuǎn)換效率，超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，低成本和寬工作溫區(qū)的電子技術(shù)。

從技術(shù)的層面看，無(wú)論是動(dòng)力儲(chǔ)能還是儲(chǔ)能電池的技術(shù)都是能源的載體，在全壽命周期可以實(shí)現(xiàn)高度的融合發(fā)展，可以從動(dòng)力貫穿到能源的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)資源的共享。具體來(lái)說，他們擁有共性的基礎(chǔ)，科學(xué)設(shè)計(jì)、計(jì)算數(shù)據(jù)、材料、分析工藝、裝備、仿真控制和監(jiān)測(cè)等共性的技術(shù)和科學(xué)問題，也擁有共性的產(chǎn)業(yè)鏈和標(biāo)準(zhǔn)化體系，也同樣都在重視數(shù)字化解決方案，實(shí)現(xiàn)智能制造，也同樣關(guān)心在生產(chǎn)制造服役過程中的碳排放能耗和碳足跡。

同時(shí)從動(dòng)力電池淘汰下來(lái)，可以繼續(xù)作為儲(chǔ)能電池的各種應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)梯次利用。另外為了解決快充樁的問題，城市里還會(huì)布局儲(chǔ)充一體或者說光儲(chǔ)充檢一體化的裝備，同時(shí)發(fā)展換電站，也具備儲(chǔ)能的功能。

另外一個(gè)非常重要的發(fā)展方向，就是當(dāng)動(dòng)力電池的壽命能量密度非常高的時(shí)候，在全壽命周期中可以支持從動(dòng)力電池向電網(wǎng)放電的雙向解決方案。這些都推動(dòng)著能源和交通融合發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)，先進(jìn)電池技術(shù)的發(fā)展，是未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

目前的電池主要是液態(tài)電解質(zhì)、鋰離子電池，我們可以看到通過不同的正極材料、負(fù)極材料以及輔助材料的排列組合，能分別去滿足消費(fèi)電子電池，能量型的動(dòng)力電池，功率型的動(dòng)力電池以及長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能電池的應(yīng)用。也就是說到目前為止，現(xiàn)在發(fā)展的電子技術(shù)還是在專業(yè)化的發(fā)展，還不能跨界的應(yīng)用。

現(xiàn)在的液態(tài)鋰電池還存在著一些技術(shù)上的問題，14種技術(shù)上的挑戰(zhàn)以及工程工藝上生產(chǎn)的要求。無(wú)論是科研單位還是企業(yè)，也都不斷地努力提出新的解決方案，有19種解決方案，能進(jìn)一步地去提升液態(tài)鋰離子電池的性能，能夠滿足或者說初步滿足在交通領(lǐng)域和能源領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

但是目前大家還不是非常滿意，還需要進(jìn)一步去提高。一個(gè)是希望能做到本質(zhì)安全，在任意使用的情況下不起火不燃燒不爆炸，同時(shí)支持快充的技術(shù)，爭(zhēng)取獲得像燃油車一樣的消費(fèi)體驗(yàn)。同時(shí)發(fā)展更高能量密度的動(dòng)力電池技術(shù)，能夠支撐從長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車到電動(dòng)飛機(jī)等對(duì)高能量密度的應(yīng)用。另外也希望具備25年以上的使用壽命更寬的環(huán)境工作溫度，以及更低的成本，做到標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和智能化，這些都是進(jìn)一步電池發(fā)展的需求。

現(xiàn)在大家都在關(guān)注固態(tài)電池。固態(tài)電池因?yàn)椴挥没蛘呱儆萌菀兹紵鸹鸨ǖ挠袡C(jī)電解液，用到了無(wú)機(jī)的或者聚合物的固態(tài)電解質(zhì)，有可能具備更高的安全性，更高的能量密度，更高的存儲(chǔ)效率，能夠在高溫下運(yùn)行，支撐新的生產(chǎn)工藝，同時(shí)降低電池的成本。

固態(tài)電池這方面的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到世界范圍內(nèi)的公認(rèn)。當(dāng)下就是要解決在全固態(tài)電池和固態(tài)電池開發(fā)的過程中，遇到的固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極表面實(shí)現(xiàn)完美接觸的難題。同時(shí)接觸好了才能降低界面電阻，這兩個(gè)是目前固態(tài)電池遇到的最大挑戰(zhàn)。在全球范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了非常多的全固態(tài)電池解決方案，每一種現(xiàn)有的全固態(tài)電池都存在著紅顏色標(biāo)注的一些短板，還需要新的改進(jìn)策略去發(fā)展，需要新的思路。存在著以下8個(gè)技術(shù)的瓶頸，包括界面問題、材料問題、電信設(shè)計(jì)問題，應(yīng)用問題和供應(yīng)鏈裝備工藝標(biāo)準(zhǔn)化尚未成熟的問題，也還沒有找到最適合的應(yīng)用場(chǎng)景，形成更具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

總體來(lái)說，全固態(tài)電池綜合指標(biāo)的提升還是非常有挑戰(zhàn)的。核心問題就是要解決界面的適配和穩(wěn)定性的問題。雖然全固態(tài)電池很難，而固態(tài)電解質(zhì)又具有更高的安全性，大家就開始去發(fā)展混合了固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的混合固液電解質(zhì)電池。在這種電池中可以通過5種方式，將更安全的固態(tài)電解質(zhì)帶入液態(tài)電池的電芯中，從而更好的兼容現(xiàn)有的工藝，現(xiàn)有的裝備，現(xiàn)有的材料容易量產(chǎn)，具備更低的成本?？傮w來(lái)說，混合固液電解質(zhì)電池可以在一定程度上去解決前面全固態(tài)電池現(xiàn)有技術(shù)遇到的界面的難題。

中科院物理所和北京衛(wèi)藍(lán)新能源提出了全新的解決方案，基于原為固態(tài)化的一種固態(tài)電池的設(shè)計(jì)，主要通過化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，將液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為固態(tài)電解質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)與電極材料顆粒表面的原子級(jí)接觸，形成連續(xù)彈性導(dǎo)離子的界面下，綜合平衡電池，具備高能量、高安全、低體積膨脹低內(nèi)阻寬溫區(qū)等性能的要求。

這樣的解決方案能夠適應(yīng)各類的負(fù)極材料和正極材料，從而滿足不同的需求。目前已經(jīng)在2016年申請(qǐng)了首次的發(fā)明專利，公開發(fā)表了學(xué)術(shù)論文，并且在國(guó)際鋰電池會(huì)議上做過報(bào)告。并且已經(jīng)開發(fā)出多款電芯在無(wú)人機(jī)上率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，特別是在2021年1月9號(hào)，蔚來(lái)汽車在蔚來(lái)日上首次發(fā)布了360瓦時(shí)每公斤的基于原位固態(tài)化的電池技術(shù)。這個(gè)技術(shù)就是由中科院物理所創(chuàng)辦的北京衛(wèi)藍(lán)新能源在背后推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。我們陸續(xù)申請(qǐng)了20多項(xiàng)發(fā)明專利，這種技術(shù)具備原子級(jí)建核的特征，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)連續(xù)化的界面，具有更高的倍率特性，更好的循環(huán)穩(wěn)定性，更高的安全性，特別是兼容現(xiàn)有的工藝和設(shè)備，已經(jīng)在蔚來(lái)汽車ET7車型上得到了測(cè)試，在明年上半年開始大規(guī)模的量產(chǎn)。

這個(gè)技術(shù)，簡(jiǎn)單地把固體電解質(zhì)和液體電池混合在一起，主要是能夠明顯提升安全性，能夠顯著降低直流內(nèi)阻，同時(shí)可以通過這樣的技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)全固態(tài)。在改善電池安全性的同時(shí)，也能夠提升電芯連續(xù)充放電的性能，提高循環(huán)性。通過大量的研究，將固態(tài)電解質(zhì)帶入電芯，可以從10個(gè)層面來(lái)提高電芯的安全性。相關(guān)的科研工作專利已經(jīng)形成了布局和發(fā)表。

基于上述這些技術(shù)，開發(fā)的儲(chǔ)能的磷酸鐵鋰固態(tài)電池具備了更高的安全等級(jí)，也具備更長(zhǎng)的循環(huán)性。目前將在淄博工廠一期投產(chǎn)，目前能夠具備6000-10000次以上的循環(huán)性，同時(shí)能夠滿足各方面的測(cè)試要求。

以上各類極限安全測(cè)試的結(jié)果，體現(xiàn)了固態(tài)電池更高的安全性。儲(chǔ)能對(duì)于安全性的要求是非常高的，而之前即便是磷酸鐵鋰電池也出現(xiàn)過燃燒起火，甚至是人身傷害的這樣的問題。目前這樣的技術(shù)也開始通過三峽公司在烏蘭察布進(jìn)行了示范。

另一方面就是動(dòng)力電池，我們開發(fā)了高能量密度的混合固液、電解質(zhì)、動(dòng)力電池。這種電池將在湖州工廠的2吉瓦時(shí)產(chǎn)線上，在明年上半年開始大規(guī)模生產(chǎn)，來(lái)滿足ETC包括ETC車型的長(zhǎng)續(xù)航，電動(dòng)汽車的應(yīng)用，目前具備了比能量超過360，超1000次的循環(huán)，安全性明顯優(yōu)于液態(tài)電解液。

這應(yīng)該說是即將量產(chǎn)的全球最高能量密度的動(dòng)力電池。在固態(tài)電池開發(fā)的歷程中，我們認(rèn)識(shí)到直接開發(fā)全固態(tài)電池還是存在著比較多的挑戰(zhàn)。

通過混合固液電解質(zhì)，特別是原位固態(tài)化技術(shù)，能夠?qū)?shí)現(xiàn)全固態(tài)進(jìn)行更全面細(xì)致的認(rèn)知。我們?cè)?018年的報(bào)告提出來(lái)，2019年實(shí)現(xiàn)A樣，2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，2023年裝車。現(xiàn)在正在完全按照這個(gè)節(jié)奏正在推進(jìn)，也實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。

在全固態(tài)電池中受全球廣泛關(guān)注的，包括日本主導(dǎo)的硫化物全固態(tài)電池，以及我們正在推的氧化物加原位固態(tài)化，總體來(lái)說硫化物、電解質(zhì)電導(dǎo)率非常得高。但是目前的制造成本，界面電阻體積膨脹適應(yīng)性，還有產(chǎn)生有害有毒的氣體方面，還不能滿足大規(guī)模量產(chǎn)的要求。相對(duì)而言，氧化物和原位固態(tài)化的解決方案，基本上能滿足電導(dǎo)率的要求，同時(shí)成本比較低，更容易制造。

另外很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是中國(guó)掌握了這方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，應(yīng)該說從自主可控的角度，更需要去發(fā)展氧化物和原位固態(tài)化，當(dāng)然硫化物全固態(tài)也值得繼續(xù)地去推進(jìn)和發(fā)展。我們認(rèn)為在2027年左右，能夠?qū)崿F(xiàn)這種全固態(tài)電池的大規(guī)模量產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化，需要形成產(chǎn)業(yè)鏈。為了發(fā)展更高性能的固態(tài)電池，需要開發(fā)一系列新的電池材料，包括14種，從正極到負(fù)極到固態(tài)電解質(zhì)，到膜，以及到關(guān)鍵的輔助材料和自修復(fù)材料這樣的電子新材料。

同時(shí)要引入更先進(jìn)的制造工藝，包括數(shù)字化的計(jì)算，用于加速開發(fā)數(shù)字化的制造，包括極致的制造，像寧德時(shí)代提出來(lái)的 PPB級(jí)偏差水平，以及簡(jiǎn)化生產(chǎn)制造流程。通過干法中斷和后段的簡(jiǎn)化處理，實(shí)現(xiàn)極致制造和極簡(jiǎn)制造的整合，同時(shí)在所有的制造流程中實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，從而推動(dòng)智能制造的發(fā)展。另外要充分地考慮鋰資源的有限性和短期供需關(guān)系的矛盾，要形成有利于循環(huán)制造這樣的生產(chǎn)制造的流程和電池模組和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決方案。

此外生產(chǎn)出來(lái)之后，整個(gè)過程要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的監(jiān)測(cè)，也就是全壽命周期能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，增加智能傳感技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析人工智能，形成大量的數(shù)據(jù)庫(kù)。

另外要注意數(shù)字運(yùn)維，也就是邊緣協(xié)同，加強(qiáng)碳足跡與碳賬號(hào)的管理和實(shí)現(xiàn)智能的監(jiān)控，從而能夠發(fā)展支撐和推動(dòng)下一代工業(yè)4.0級(jí)的固態(tài)鋰離子電池以及鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈。從混合固液到全固態(tài)電池形成成熟的方案。

根據(jù)前面提到的觀點(diǎn)，因?yàn)殇囐Y源的局限性和需求的依賴性，我們希望鋰電池能夠滿足高能量密度的解決方案，包括能滿足電動(dòng)飛機(jī)、機(jī)器人這些國(guó)家安全等一系列的高能量密度的解決方案，包括用層狀的正極以及行規(guī)的負(fù)極，鋰碳負(fù)荷的負(fù)極這樣的解決方案，那么在中等能量密度下有可能開發(fā)出一種電池，具有超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，本著安全和較低的成本，一般認(rèn)為是鐵鋰、錳酸鋰和鎳錳漿金石配上高性能的負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)支持主流的乘用車市場(chǎng)600公里快充低成本這樣的解決方案。

對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能來(lái)說，鈉離子電池因?yàn)轶w積能量密度相對(duì)于鋰電池稍微低一些，但是目前已經(jīng)展示出了更寬的工作溫區(qū)更快的充放電速率和較低的成本，以及沒有原材料的壓力。鈉離子電池將去滿足包括低速車、乘用車、啟停電源、混合動(dòng)力以及長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能電池，各種儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的應(yīng)用需求。從而形成高技術(shù)、高性能的技術(shù)、高水平的制造能力和資源可持續(xù)發(fā)展的良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。在最終業(yè)態(tài)混合固液和全固態(tài)將有可能形成共存，來(lái)分別滿足不同的市場(chǎng)。

最終我們希望開發(fā)出這樣的電池，能夠同時(shí)滿足交通和能源融合發(fā)展的需求，包括超長(zhǎng)的循環(huán)壽命和日歷壽命，具有本質(zhì)的安全性，任意濫用情況下不發(fā)生熱失控，具有適當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，支?00公里的整車?yán)m(xù)航，電池包800伏，支持兩C以上的快充壽命，能夠精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)全壽命周期的容量和功率等特性不發(fā)生突然跳水。

能夠通過電芯模組和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，適應(yīng)全氣候，能夠?qū)崿F(xiàn)電池模組和系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)的采集和歷史數(shù)據(jù)的傳遞，能夠支撐不同領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)特別強(qiáng)調(diào)的是從電芯模組到系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這種標(biāo)準(zhǔn)化的電芯和模組同時(shí)能支撐A00級(jí)車型一直到吉瓦時(shí)級(jí)的調(diào)頻儲(chǔ)能電站的應(yīng)用。這種電池需要本質(zhì)的安全，因此非常有可能是全固態(tài)。綜合高功率的應(yīng)用和高能量的應(yīng)用，形成的電芯模組和系統(tǒng)的解決方案。這個(gè)方案會(huì)在2027年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)，讓我們拭目以待。

最后感謝各位領(lǐng)導(dǎo)各位嘉賓參加本次會(huì)議，謝謝大家。