中國粉體網訊 7月7日，2021中國國際鋰電產業(yè)大會（簡稱金磚鋰電論壇）在上海汽車會展中心順利召開。本屆金磚鋰電會議為期兩天，主題為以“新技術、新應用、新發(fā)展”為主題，采用“會議論壇+展覽展示+體驗營銷”三位一體的創(chuàng)新模式，多項重點活動同期同地舉辦，充分協(xié)同聯(lián)動，品牌效應和影響力大幅提升。加拿大國家工程院院士、上海大學理學院院長、上海大學可持續(xù)能源研究院院長張久俊出席論壇并發(fā)表主題演講——《全球電動汽車電池及鋰電池的發(fā)展：現狀、挑戰(zhàn)、展望》。
以下為演講實錄：
非常感謝大會的邀請，有這樣一個機會和大家分享一下關于目前全球鋰電池發(fā)展的狀況。
一、新能源電動車發(fā)展的趨勢
目前，全球汽車總量大約是17億輛。其中，中國有2.7億輛。這些汽車絕大部分都是燒汽油或者燒
柴油的，燒汽油就帶來一種不可控的污染，排出的二氧化碳、一氧化碳、氧化氮、氧化硫等等污染物到大氣中，造成大氣污染，對于人類可持續(xù)發(fā)展造成威脅，這是目前汽車存在的問題。為什么我們說新能源電動車發(fā)展有它的趨勢？首先，世界上各個主要發(fā)達國家都把發(fā)展新能源汽車列為國家戰(zhàn)略。去年以及前年，德國、法國、英國這些發(fā)達國家都紛紛宣布，到2040年左右他們國家要禁售燃油車。我們中國也在考慮這個問題，但是能不能到2040年把所有的燃油車都取代掉，我自己覺得可能有點為時過早。但是這是一個大的趨勢，告訴我們將來都要發(fā)展電動車。
為什么要發(fā)展電動車？目前我們國家在大力提倡碳中和，雙碳目標，到2060年中國要達到碳中和。要達到碳中和，國際上的《巴黎協(xié)定》規(guī)定，在2100年前要把全球平均溫度控制在2攝氏度之內。所以到2040年，全球電動汽車數量需要達到6億輛。電動車里面主要就是電池，不管是燃料電
池、鋰電池或者其他電池，它就是電池。
二、電化學能源技術
什么是電化學的技術？電化學技術是目前被認為最可靠、最有效的能源，它包括很多。這里面大概列出來十多種，常見的鋰電池，燃料電池、二氧化碳還原、鎳氫電池等等，還有金屬空氣電池，這些都是電化學技術，其中有幾樣可以用在電動車上。
怎么樣衡量電化學技術？有五個大的指標。
1.能量密度要高，尤其在汽車利用，能量密度是非常重要的問題，牽涉到汽車的續(xù)航里程。
2.功率密度，存的能要在多長時間可以排放出去，如果存了大量的能，但是很慢的排放出去，功率密度就比較低。尤其在汽車上是不可用的。
3.循環(huán)壽命。汽車能夠充換電多少次，這也是很重要的。
4.價格。這個電池再好，但是非常貴，那也不利于產業(yè)化。除非在一些非常特殊的環(huán)境下，比如說空間電源上，可以不計價格，或者軍事上不計價格。但是作為民用，大面積推廣，價格還是降下來的。
5.安全性。安全性應該是第一，這是非常重要的一個方面。
五個大的標準來衡量電池的好壞。
這是我根據能量密度、功率密度、壽命和價格，總結出來的各種電池有不同的直白，可以根據你的需要來選擇不同的電池。當然，這里面有很多電池還處在早期的發(fā)展階段。比如說金屬空氣電池，能量密度特別高，但是現在處于發(fā)展階段。燃料電池現在可以在汽車利用，但是價格特別貴，所以也不適用于大規(guī)模生產。在燃料電池方面要花大力氣解決降價和設施的問題。
三、鋰電池發(fā)展的趨勢
鋰電池有很多的應用：
1.運載裝備，應用在汽車上。
2.能源存儲，光伏發(fā)展非�？�，風能發(fā)展非常快，這些可持續(xù)能源必須要儲存起來，才能夠應用，鋰電池起到非常大的作用，尤其是磷酸鐵鋰電池。
3.電子通訊。
4.國防航天。
鋰電池有非常有廣泛的應用。下面講一下鋰電池以及全固態(tài)鋰電池。為什么這個電池被選用在汽車上？因為它能量密度高、功率密度高，有很多優(yōu)勢。目前，鋰電池主要用在電動汽車以及家用電器上。
目前，它存在什么問題？
1.電池壽命不夠。
2.在汽車里用，能量密度不夠。
3.安全性問題，我們要提高能量密度，假如我們用磷酸鐵鋰可能稍微好一點，但是還是有安全問
題。研發(fā)方向是發(fā)展新的材料，提高能量密度和功率密度。在汽車上，要提高循環(huán)壽命和減少充電時間，提高安全性。
這是鋰電池關鍵材料技術路線發(fā)展，從這里可以看到鋰電池包括正極材料、負極材料、隔膜、電解液、導電劑，一代一代的發(fā)展都是不一樣的。材料隨著不斷的進展，第一代鋰電池的能量密度大概是100Wh/Kg，第二代變成了200Wh/Kg，第三代變成200-320Wh/Kg，第三代基本上是用三元體系。
這是我們在鋰電池方面合成的負極材料，金屬氧化物的負極材料，進一步提高能量效率。
第二個可以用到汽車里的電池是可充電鋰硫電池，能量密度和功率密度都很高，目前存在一個問
題，循環(huán)壽命還不行，最好的可以達到800次、900次，甚至1000次，但是這個在汽車應用完全不
夠。另外，安全性能也要進一步提高。
第三種可以用在未來汽車上的就是金屬鋰空氣電池，鋰空氣電池盡管目前發(fā)展不是那么快，但是做的非常好。最大的優(yōu)勢是理論能量密度非常高，可以達到30Wh/Kg，相當于鋰電池的10倍。但是目前發(fā)展還是受限于循環(huán)壽命，另外一個是操作條件。
我們做了空氣方面的材料，這些材料看起來都比較漂亮，不漂亮的話發(fā)表不出去文章，所以我們力求做的材料比較漂亮，看起來非常漂亮，顏值高，但是不一定好用。但是我們這個材料還是相當不錯的。
目前全球電動汽車鋰電池狀態(tài)，化學組成和最佳實用性能。里面的Chemistries、主要的發(fā)展公司、電池的model、能量密度、循環(huán)壽命以及價格。能量密度一般都可以達到300Wh/Kg，即使磷酸
鐵鋰也可以達到180左右，但是價格也都在100左右，循環(huán)壽命在1000-1500小時。
我們看看電動車發(fā)展的里程碑。首先要講到它的續(xù)航里程問題，續(xù)航里程實際上是一個很大的問
題。從2014年的續(xù)航里程190公里充一次電，一直達到我們要求的至少在500-700公里的續(xù)航里程。
大家可能對續(xù)航里程的概念還不是太清楚，因為續(xù)航里程和能量效率是有關系的，假如這里有個標準的能量效率，在一定能量效率下的續(xù)航里程。我們到2030年要達到600Km/Kg，使我們的電池發(fā)動機系統(tǒng)能量密度要達到350Wh/Kg。
電池本身可能要求更高了，2020年1月-6月全球前20名電動車電池出貨量及系統(tǒng)能量密度，這個出
貨量非常大。尤其從2021年以來，各個大的鋰電池公司，據我所知，機器全部開滿24小時，訂單已經訂到明年去了。這是一個雷達圖，里面有十個標準，中間的紅色是鋰電池目前能夠達到的，這里面牽涉到能量密度，還達不到。功率密度也不好，可能最好的是日歷壽命和循環(huán)壽命。但是在這些方面，還要進一步的提高。其中，我們要發(fā)展長續(xù)航里程的汽車，最關鍵的鋰電池指標是能量密度，能量密度是最關鍵的指標，是技術更新?lián)Q代的一個標志。當然，能量密度要在安全的條件下。
這是中科院李紅教授的PPT，我借來用一下。從90年代一直發(fā)展到2020年，我們目前電池本身能夠達到300Wh/Kg的水平。到2030年要求電池本身能夠達到500Wh/Kg。怎么樣能夠達到這個指標？下面再和大家分享。能量密度和安全和緊緊結合起來的，從這個圖中可以看到循環(huán)壽命以及它的能量密度。能量密度越高的電池，它的循環(huán)壽命越差勁。能量密度越低的電池，它的循環(huán)壽命越好，這就是一個自然規(guī)律。任何一個物體，能量密度越高，它肯定不穩(wěn)定。但是，我們要怎么做呢？達到一定的循環(huán)壽命的時候，也有最高的能量密度，達到中間的優(yōu)化，這是我們努力的目標。下一代鋰電池發(fā)展的路線圖，目前我們用的磷酸鐵鋰或者酸鹽，到2020-2025年要發(fā)展固態(tài)電池和鋰硫電池，到2025-2030年要發(fā)展鋰空，目前一個單體的電池是350Wh/Kg，我們終極的循環(huán)壽命要達到3000次。
有效策略有這樣幾種，首先我們要認識到問題，這些問題造成的后果，后面有改進方式。
高能量密度在未來的發(fā)展趨勢叫高能量密度全固態(tài)鋰電池，這是我們未來發(fā)展的趨勢。全固態(tài)鋰電池的主要問題在什么地方？
電解質的導電性，包括氧化物的電解質、硫化物的電解質、聚合物的電解質，以及界面與兼容性兩方面的問題。我們可以通過改進措施來達到全固態(tài)鋰電池的發(fā)展。
我們看看目前對于全固態(tài)電池研究的發(fā)展現狀，這里面列出了很多大公司，包括我們中國的幾個大公司，他們用的電池類型，目前達到的參數以及應用場景等等，全固態(tài)鋰電池實際上還是相當不錯的，能輕意達到300Wh/Kg。
在未來我們要達到500Wh/Kg的鋰電池，有哪幾種電池可以達到呢？我列出來三種電池。
1.鋰硫電池。
2.鋰空氣電池。
3.二氧化碳。
鋰硫電池和鋰空電池發(fā)展非常大，總體的趨向還是必須從液態(tài)電池到全固態(tài)電池。全固態(tài)鋰硫電池
存在四個方面的問題。
1.硫導電率比較低。
2.體積膨脹。
3.Li負極安全性。
4.穿梭效應。硫產生反應以后，產生小分子硫化物，可以穿過溶液到負極上，產生穿梭效應。
我們也有很多的策略，業(yè)界也在做非常大的努力。第二個可能實現500Wh的電池是鋰空電池，鋰
空電池存在的問題，空氣電極、催化劑、電解液等等問題，也要進行不斷改進。
鋰空電池改良策略，要開發(fā)合適的碳空氣電極材料，發(fā)展雙功能催化劑，這是非常重要的一個方面。尋求空氣過濾等等方法，都是進行改良鋰空電池的一些策略。
四、總結
1.基于化石燃料的汽車會造成污染并破壞我們的環(huán)節(jié)，必須用電動汽車取代燃油車。
2.液態(tài)和固態(tài)鋰電池（包括鋰離子電池、鋰硫電池電池和鋰空氣電池）的進一步發(fā)展開發(fā)是實現電動汽車500Wh/Kg能量密度目標的必要策略。
3.提高能量密度、功率密度、壽命仍然是電池開發(fā)的研究重點。探索低成本的高性能電極、電解質材料是關鍵因素。
4.安全性是未來鋰電池最重要的因素。
5.可以進一步探索鋰二氧化碳電池，不光對我們碳中和起到一定的作用，而且能夠達到500Wh/Kg
的目標，目前停留在概念階段，要進一步發(fā)展。
這是我在過去十幾年與博士后、同事和朋友編的書，里面有七八本都是我們自己寫的英文書，大的出版社出版的，一共有26本。大家感興趣的話可以上網看一看。
我們2017年和孫學連（音）院士在上海大學出版了一本英文雜志《電化學能源評論》，這個雜志
2018年進入SCIE。IFin2020：28.9052。大家如果有興趣的話，可以讀我們這本雜志，歡迎大家投
稿。這是我們上海大學可持續(xù)能源研究院鋰電池中心的老師和同學，另外趙兵老師也是鋰電池行業(yè)的知名人士。最后非常感謝大家耐心的聽講！謝謝！
（注：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱，僅作為參考資料，請勿轉載�。�
（中國粉體網編輯整理/茜茜）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權請告知刪除！
