孙世刚院士：动力电池创新发展要发现新机制、开发新材料、构筑新体系

撰稿丨电池中国

11月18日-20日，第九届动力电池应用国际峰会（CBIS2024）在中国上海举行。本届峰会以“向新·融合——开创产业合作新时代”为主题，由中国化学与物理电源行业协会联合电池中国网共同主办，广东利元亨智能装备股份有限公司总冠名。在峰会开幕式环节，中国科学院孙世刚院士作题为《动力电池的挑战与创新发展》的主旨报告。

以下是孙世刚院士主旨报告内容：

非常感谢张雨秘书长的邀请和介绍，感谢王秘书长，各个公司的董事长、高管、各位驻华领事馆的总领事、参赞，大家上午好。

今天和大家分享的是《动力电池的挑战与创新发展》。

刚才成会明院士从技术研发到产业化作了很好的报告，我侧重在科学层面怎样推动这个领域的发展。

一、新能源汽车动力电池

首先，新能源车现在的发展非常快，动力电池利用可再生能有两个方面，一是通过可再生能源生产燃料，比如把二氧化碳等转化成燃料，这样的燃料用作燃料电池驱动汽车。二是通过动力电池驱动汽车。

在我国，动力电池主要用于驱动乘用车等，燃料电池则主要驱动卡车等。

我国是全球新能源产业发展速度最快的一个国家，去年全国新能源汽车保有量超过2000万辆，但是占我国汽车总保有量的比例仅为0.6%。今年11月，我国新能源汽车产量突破1000万辆，规划到2035年，总销量的50%左右是电动车。

我国燃料电池车也在不断发展，燃料电池车去年保有量是18000多辆。其中，在商用车领域，我国也是全球燃料电池商用车保有量最多的国家，规划到2030-2035年达100万辆。

从我国总的车辆发展规划来看，燃油车的销量会逐步下降，而新能源车不断增长，渗透率不断提升。

从全世界来看，中国新能源汽车的增长也是很快的。不光是中国，还有其他国家，比如瑞典的总领事刚才谈到了，他们也在大力推行电动化绿色发展。

在动力电池方面，从各个地区来看，中国的年销量目前是最高的，但是随着发展，中国占全球总销量的比例会慢慢下降，但是总量会增加。而美国、欧洲等其它国家和地区的销量占比会有所增加，这是一个趋势。

这样的增长态势对动力电池提出更高的要求，不光是高能量密度、高功率密度，还有高安全性、长寿命、宽温域的适应性，以及降低成本，这也对产业界、学术界都提出越来越高的要求。

二、动力电池面临的挑战与创新发展

动力电池面临哪些挑战？如何创新发展？

从材料端来看，要寻找更高能量密度的材料，比如负极就是从硅碳到锂，正极从磷酸铁锂到高镍、到锂硫、富锂锰，这个发展的过程会不断推高能量密度，我们怎么把它用到实际的车上或者用到老百姓的手上，需要我们解决很多安全性的问题。比如用锂金属负极，它的克容量是石墨的十几倍，但它很容易产生枝晶，由于枝晶的产生就造成安全隐患。

我们用高比容的材料首先提升电池的电压，电压提升，能量密度提升，但带来的是会分解电解液，同时电极材料要求稳定，所有这些都是我们需要解决的问题。因为锂金属作为高能量密度的负极不光用到锂电池，锂硫电池、锂空气电池都会用到它，所以它所面临的问题非常重要，它的生产规律我们要去调控。

下面举几个例子说明对锂金属，我们已经看到了很多解决方案，比如通过人工SEI膜或者通过一些三维集流体或者固态电解质等。我们从事电化学，从基础研究角度看，最核心的是锂沉积、溶解的过程，也就是锂在溶解、沉积的时候我们能不能调控它，我们能不能认识这个生长规律，调控这个规律，使它不再形成枝晶。其中一个解决方案就是找到合适的添加剂。

举个例子，我们通过这样一种添加剂有效的抑制它枝晶的生成，这是基础电解液加硝酸锂，再加上六氟磷酸银，这样一种复合添加剂沉积一个小时后，复合添加剂的表面就很光滑，这样一个复合添加剂抑制了锂的成核生长过程，使表面枝晶不再生成。

我们用一组电池对比来看，加上这个复合添加剂它的循环寿命大幅提升，如果没加的话可能只有一两个小时，十几个小时就短路了，但有这个添加剂会把寿命延长到几千个小时甚至更长。把它用到一个双离子体系，我们可以有效的提升它的循环寿命、安全性。

这个安全性就是把液态换成固态，固态电池是现在讨论和研发做的很多的课题，把电解液从液态换成固态电池后，首先它不燃烧，它的燃点会比较高，同时没有液体受热的风险，很多人想象它能不能抑制锂枝晶，这个其实是大家很关心的。在固态电池里面锂枝晶同样可以生成，所以固态电池也要解决锂枝晶带来的安全问题。

同时固态电池固固界面兼容性差，而且传输阻力大，动力性也跟不上，这些都是我们需要面对和解决的问题。

固态电池还有需要解决的难题，特别是技术难题、产业化、规模化还存在一些较大的问题，它的离子导电率低、界面效应很差，这是两个最大的需要解决的问题。

对于无机固态电池电解质，一个是氧化物，一个是硫化物。对于氧化物来说机械和热稳定性好，但是离子电导率低。对于硫化物来说，离子电导率比较高，它可以和液态电解质差不多，但是热稳定性差，成本高。

这两类的固态电解质都有一个共同的特点，界面问题非常严重，做成电池的时候需要加上很多的大气压在一块。在这部分的大力压力下，电池的工作也是很难完成的。

所以我们想说能不能回到更微观的层次上解决这样的风险，用一个例子来说明一下界面层。界面层可以形成很好的界面，比如说用锂钴氧，虽然说是一个非常成熟的体系，但是现在在手机里面不断的充电电压，提高密度。

在这个过程，和我们用到固态电池的时候，同样存在一个界面问题。我们的想法就是我们用一个中介的物质力锂钴钛氧，用这个物质做一个界面层。我们把界面层首先在锂钴氧粒子表面形成很薄的一层包覆层。形成包覆层以后的表征，就可以通过计算实验可以有效的改善界面的兼容性，而且包括一些界面的电位也会发生变化。

在这种情况下由于包覆层存在，在一个中间层就把固态电解质和固态电极有效的形成一个共融的界面层，这个时候工作就不再加压力了，我们直接装成电池就可以很好的工作，而且循环、倍率性能也能够跟得上，通过长期的循环，有了界面层以后，粒子可以保存得非常好。如果没有界面层，电极材料就破损了。通过离子，我们可不可以从微观设计界面，有效的解决这个问题，根本上消除界面的兼容性问题。

再举一个聚合物电解质的例子，它的优势是良好的界面接触、高柔韧性，而且很容易加工，缺点就是离子电导率低，而且电压窗口比较窄，与正负极的匹配性能受到限制。我们怎么样解决这个问题？

比如说从分子设计上面来解决它的问题，把这几个问题克服，比如说通过高聚物本身是一个固态电子，再用锂金属撑作一个骨架，再把锂金属配比放进去，然后再把锂元放进去。用这种PFVS的电解质就在把PFV作为骨架作为锂元和锂金属。放进去以后通过聚合物的嵌段与离子配位和快速离子通道促进锂离子的快速舞动。

通过氟化聚合物电解质的拓宽电解质的电位窗口，这样的原位聚合的电解质和正负极都有很好的匹配性，显著提升锂金属的电池循环性能。

当我们进行表征，首先这种聚合电解质有高达0.82的锂离子迁移数和0-5.1V的电位窗口，可以提升能量密度。

同时PFVS也有10（-4）Scm-1，而且表面活化能明显的降低。可以和磷酸铁锂、高镍三元材料、锂金属负极都有很好的稳定性界面，循环性也很好。

进一步提升电池的密度，要超越锂的无金属材料，也要想到锂硫电池，能量密度理论上比金属锂电池高了十几倍。

锂硫电池的瓶颈是催化剂，因为硫是不导电的，而且反应要催化剂进行工作，要面临多硫化物的穿梭效应，还有解决锂枝晶的问题。

举一个例子，怎么提升催化剂催化性能，在这种情况下我们引入了催化活性位点，我们用纳米锂原子柱作为催化作用点。有了这个原子催化作用力我们使它循环性能提升了两倍以上，它可以保持长时间的循环稳定性，在锂硫电池里从催化的角度来讲催化位点这个活性位点非常重要，怎么使催化剂的性能更高，我们怎么构筑更高活性的催化位点稳定的循环。

最后大家关注的就是进一步提升动力电池性能，我们的金属空气电池或者锂氟碳电池，这两个可以得到更高能量密度的电池。对金属电池用锂、锌、镁都可以，但对这样一些电池我们也面临它的氧还原和氧分解物，氧气作为它的正极反应，所以它氧的还原和化合物的分解要合成双功能的催化剂，同时实现氧的还原和氧化物的分解。

同时也要解决锂金属枝晶带来的安全问题，对这样一个工作我们想怎么构筑它的体系？它的优势是充电有比较高放电电压，使它的能量密度高，缺点也很明显，由于高的过电位所以很快的衰减。

但这样一个电池体系我们可以考虑把它做成一个开放式，一种就是现在的电池体系充电、放电是封闭的，大部分氧气电池要开放要与氧气接触，与氧气接触能不能把它放到空气中运行，这需要构筑自呼吸的系统，这样的一些研究带来的问题就更多，实际应用还要解决很多问题。

举一个例子，把它做成一个封闭的锂氧气电池的系统，对这个锂氧气电池的工作原理，它负极锂的氧化和还原对它的正极来看，如果做一个开放的体系就是氧气的反应，氧气生成氧化物，可以用这种氧化物之间可逆的转换做一个正极反应，把它作为一个载体可以做成封闭体系。

这个氧可以生成超氧化锂、过氧化锂和氧化锂，但每一步都会发生电子的转移，可以用来做储存，我们可以把超氧化锂和过氧化锂作为一个封闭体系，它作为一个可逆的转化作为一级，也可以把过氧化锂和氧化里作为一级，总之它们都可以做一个氧化还原对做成一个封闭的电池体系。

比如从过氧化锂到氧化锂有一些报道，但电压要小于3V，因为高于3V就会产生氧气，产生氧气就不再是一个封闭电池了，所以我们想用超氧化锂和过氧化锂做，我们可以让它的电压升高到3.6V，关键就是我们怎么稳定超氧化锂否则氧气很容易析出。所以我们采取的方案就是用石墨烯这样的材料来稳定超氧化锂，使得这样的物质可以反复进行。

把它做成一个封闭体系后可以做很长时间的循环，一般的锂氧气电池循环100周、200周就很长了，这个可以循环到700周以上而且非常稳定。

三、总结

最后做一个总结，我国新能源汽车拥有量预计今年将突破3千万辆，占世界新能源汽车总量的一半以上。在碳达峰碳中和目标驱动下，将进一步快速增长。

动力电池面临不断提升能量密度、功率密度、安全性、使用寿命、极端环境适应性和降低成本的重大需求和挑战。

加强基础研究，发现新机制、开发新材料、构筑新体系，是动力电池创新发展的源泉。

最后，感谢大家，谢谢。