李泓 中科院物理所研究員，衛(wèi)藍新能源首席科學家

尊敬的各位領導，各位嘉賓，大家好。我是中國科學院物理研究所的李泓，非常榮幸能在第七屆中國制造強國論壇，新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)汽車論壇上作報告。今天跟大家交流分享的內容是融合發(fā)展的動力與儲能電池技術。我的報告分成三個部分，首先是背景介紹，接下來介紹固態(tài)電池技術體系，最后分享對動力儲能電池發(fā)展路線圖的看法。

眾所周知，先進電池在各個領域都是非常重要的基礎支撐技術，特別是對于交通運輸、清潔能源、國家安全、工業(yè)制造等各領域起著關鍵的支撐作用，也是實現(xiàn)和推動電動中國雙碳目標實現(xiàn)的關鍵技術。

【資料圖】

在國家能源中長期科技規(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)、儲能、氫能和能源消費，其中儲能和氫能是第一次列入了能源中長期科技規(guī)劃。通過7個能源方向的發(fā)展，希望能實現(xiàn)清潔低碳、安全高效的戰(zhàn)略目標?？傮w來說，發(fā)展可再生能源，發(fā)展規(guī)模儲能技術，發(fā)展電動汽車和智能電網(wǎng)技術，是優(yōu)化我國能源結構、保障能源安全、發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的國家戰(zhàn)略，也是實現(xiàn)2030碳達峰，2060碳中和的主要技術路徑。

各種儲能技術可以分為三大類，包括儲能時長小于30分鐘的短時高頻儲能技術，儲能時長在4個小時以內的中短時長儲能技術，以及超過4個小時單次儲能的超長時間儲能技術。分別滿足短時高頻、中短時長和超長時間儲能技術。

總體來說，具有較高技術經(jīng)濟性、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，能夠支撐智能運維調度，能最好地滿足重大應用場景的儲能技術，未來將占據(jù)主導。十四五發(fā)展的目標，就是支撐50%以上占比的可再生能源發(fā)電裝機友好并網(wǎng)和全額消納，實現(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1.5萬次，安全可靠的達到吉瓦時規(guī)模的儲能技術，相關的材料裝備和軟硬件實現(xiàn)百分百的自主可控。

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

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

從技術的層面看，無論是動力儲能還是儲能電池的技術都是能源的載體，在全壽命周期可以實現(xiàn)高度的融合發(fā)展，可以從動力貫穿到能源的應用，實現(xiàn)資源的共享。具體來說，他們擁有共性的基礎，科學設計、計算數(shù)據(jù)、材料、分析工藝、裝備、仿真控制和監(jiān)測等共性的技術和科學問題，也擁有共性的產(chǎn)業(yè)鏈和標準化體系，也同樣都在重視數(shù)字化解決方案，實現(xiàn)智能制造，也同樣關心在生產(chǎn)制造服役過程中的碳排放能耗和碳足跡。

同時從動力電池淘汰下來，可以繼續(xù)作為儲能電池的各種應用技術，實現(xiàn)梯次利用。另外為了解決快充樁的問題，城市里還會布局儲充一體或者說光儲充檢一體化的裝備，同時發(fā)展換電站，也具備儲能的功能。

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

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

現(xiàn)在的液態(tài)鋰電池還存在著一些技術上的問題，14種技術上的挑戰(zhàn)以及工程工藝上生產(chǎn)的要求。無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域和能源領域的重要應用。

但是目前大家還不是非常滿意，還需要進一步去提高。一個是希望能做到本質安全，在任意使用的情況下不起火不燃燒不爆炸，同時支持快充的技術，爭取獲得像燃油車一樣的消費體驗。同時發(fā)展更高能量密度的動力電池技術，能夠支撐從長續(xù)航電動汽車到電動飛機等對高能量密度的應用。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，做到標準化、模塊化和智能化，這些都是進一步電池發(fā)展的需求。

現(xiàn)在大家都在關注固態(tài)電池。固態(tài)電池因為不用或者少用容易燃燒起火爆炸的有機電解液，用到了無機的或者聚合物的固態(tài)電解質，有可能具備更高的安全性，更高的能量密度，更高的存儲效率，能夠在高溫下運行，支撐新的生產(chǎn)工藝，同時降低電池的成本。

固態(tài)電池這方面的優(yōu)點已經(jīng)得到世界范圍內的公認。當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)電解質和正負極表面實現(xiàn)完美接觸的難題。同時接觸好了才能降低界面電阻，這兩個是目前固態(tài)電池遇到的最大挑戰(zhàn)。在全球范圍內已經(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注的一些短板，還需要新的改進策略去發(fā)展，需要新的思路。存在著以下8個技術的瓶頸，包括界面問題、材料問題、電信設計問題，應用問題和供應鏈裝備工藝標準化尚未成熟的問題，也還沒有找到最適合的應用場景，形成更具有競爭力的產(chǎn)品。

總體來說，全固態(tài)電池綜合指標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)電解質和液態(tài)電解質的混合固液電解質電池。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。總體來說，混合固液電解質電池可以在一定程度上去解決前面全固態(tài)電池現(xiàn)有技術遇到的界面的難題。

中科院物理所和北京衛(wèi)藍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)電池的設計，主要通過化學和電化學反應，將液態(tài)電解質轉化為固態(tài)電解質，從而實現(xiàn)電解質與電極材料顆粒表面的原子級接觸，形成連續(xù)彈性導離子的界面下，綜合平衡電池，具備高能量、高安全、低體積膨脹低內阻寬溫區(qū)等性能的要求。

這樣的解決方案能夠適應各類的負極材料和正極材料，從而滿足不同的需求。目前已經(jīng)在2016年申請了首次的發(fā)明專利，公開發(fā)表了學術論文，并且在國際鋰電池會議上做過報告。并且已經(jīng)開發(fā)出多款電芯在無人機上率先實現(xiàn)量產(chǎn)，特別是在2021年1月9號，蔚來汽車在蔚來日上首次發(fā)布了360瓦時每公斤的基于原位固態(tài)化的電池技術。這個技術就是由中科院物理所創(chuàng)辦的北京衛(wèi)藍新能源在背后推動技術的發(fā)展。我們陸續(xù)申請了20多項發(fā)明專利，這種技術具備原子級建核的特征，能夠實現(xiàn)一個連續(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)有的工藝和設備，已經(jīng)在蔚來汽車ET7車型上得到了測試，在明年上半年開始大規(guī)模的量產(chǎn)。

這個技術，簡單地把固體電解質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阻，同時可以通過這樣的技術，最終實現(xiàn)全固態(tài)。在改善電池安全性的同時，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)電解質帶入電芯，可以從10個層面來提高電芯的安全性。相關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，開發(fā)的儲能的磷酸鐵鋰固態(tài)電池具備了更高的安全等級，也具備更長的循環(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，同時能夠滿足各方面的測試要求。

以上各類極限安全測試的結果，體現(xiàn)了固態(tài)電池更高的安全性。儲能對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。目前這樣的技術也開始通過三峽公司在烏蘭察布進行了示范。

另一方面就是動力電池，我們開發(fā)了高能量密度的混合固液、電解質、動力電池。這種電池將在湖州工廠的2吉瓦時產(chǎn)線上，在明年上半年開始大規(guī)模生產(chǎn)，來滿足ETC包括ETC車型的長續(xù)航，電動汽車的應用，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。

這應該說是即將量產(chǎn)的全球最高能量密度的動力電池。在固態(tài)電池開發(fā)的歷程中，我們認識到直接開發(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，特別是原位固態(tài)化技術，能夠對實現(xiàn)全固態(tài)進行更全面細致的認知。我們在2018年的報告提出來，2019年實現(xiàn)A樣，2022年實現(xiàn)量產(chǎn)，2023年裝車?，F(xiàn)在正在完全按照這個節(jié)奏正在推進，也實現(xiàn)了目標。

在全固態(tài)電池中受全球廣泛關注的，包括日本主導的硫化物全固態(tài)電池，以及我們正在推的氧化物加原位固態(tài)化，總體來說硫化物、電解質電導率非常得高。但是目前的制造成本，界面電阻體積膨脹適應性，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，基本上能滿足電導率的要求，同時成本比較低，更容易制造。

另外很關鍵的一點就是中國掌握了這方面的知識產(chǎn)權，應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，當然硫化物全固態(tài)也值得繼續(xù)地去推進和發(fā)展。我們認為在2027年左右，能夠實現(xiàn)這種全固態(tài)電池的大規(guī)模量產(chǎn)。

為了實現(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，從正極到負極到固態(tài)電解質，到膜，以及到關鍵的輔助材料和自修復材料這樣的電子新材料。

同時要引入更先進的制造工藝，包括數(shù)字化的計算，用于加速開發(fā)數(shù)字化的制造，包括極致的制造，像寧德時代提出來的 PPB級偏差水平，以及簡化生產(chǎn)制造流程。通過干法中斷和后段的簡化處理，實現(xiàn)極致制造和極簡制造的整合，同時在所有的制造流程中實現(xiàn)數(shù)字孿生，從而推動智能制造的發(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)的設計解決方案。

此外生產(chǎn)出來之后，整個過程要實現(xiàn)數(shù)字化的監(jiān)測，也就是全壽命周期能夠實現(xiàn)精準的監(jiān)測，增加智能傳感技術，通過大數(shù)據(jù)分析人工智能，形成大量的數(shù)據(jù)庫。

另外要注意數(shù)字運維，也就是邊緣協(xié)同，加強碳足跡與碳賬號的管理和實現(xiàn)智能的監(jiān)控，從而能夠發(fā)展支撐和推動下一代工業(yè)4.0級的固態(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，因為鋰資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，包括能滿足電動飛機、機器人這些國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)的負極，鋰碳負荷的負極這樣的解決方案，那么在中等能量密度下有可能開發(fā)出一種電池，具有超長的循環(huán)壽命，本著安全和較低的成本，一般認為是鐵鋰、錳酸鋰和鎳錳漿金石配上高性能的負極材料，實現(xiàn)支持主流的乘用車市場600公里快充低成本這樣的解決方案。

對于大規(guī)模儲能來說，鈉離子電池因為體積能量密度相對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、混合動力以及長壽命的儲能電池，各種儲能應用場景的應用需求。從而形成高技術、高性能的技術、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。在最終業(yè)態(tài)混合固液和全固態(tài)將有可能形成共存，來分別滿足不同的市場。

最終我們希望開發(fā)出這樣的電池，能夠同時滿足交通和能源融合發(fā)展的需求，包括超長的循環(huán)壽命和日歷壽命，具有本質的安全性，任意濫用情況下不發(fā)生熱失控，具有適當?shù)哪芰棵芏?，支?00公里的整車續(xù)航，電池包800伏，支持兩C以上的快充壽命，能夠精準地預測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)的設計，適應全氣候，能夠實現(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，能夠支撐不同領域的應用。同時特別強調的是從電芯模組到系統(tǒng)，真正實現(xiàn)標準化。這種標準化的電芯和模組同時能支撐A00級車型一直到吉瓦時級的調頻儲能電站的應用。這種電池需要本質的安全，因此非常有可能是全固態(tài)。綜合高功率的應用和高能量的應用，形成的電芯模組和系統(tǒng)的解決方案。這個方案會在2027年實現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)，讓我們拭目以待。

最后感謝各位領導各位嘉賓參加本次會議，謝謝大家。