張久?。喝螂妱?dòng)汽車(chē)電池及鋰電池的發(fā)展：現(xiàn)狀,、挑戰(zhàn)、展望
中國(guó)粉體網(wǎng)訊 7月7日,，2021中國(guó)國(guó)際鋰電產(chǎn)業(yè)大會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)金磚鋰電論壇）在上海汽車(chē)會(huì)展中心順利召開(kāi),。本屆金磚鋰電會(huì)議為期兩天，主題為以“新技術(shù),、新應(yīng)用,、新發(fā)展”為主題，采用“會(huì)議論壇+展覽展示+體驗(yàn)營(yíng)銷(xiāo)”三位一體的創(chuàng)新模式,，多項(xiàng)重點(diǎn)活動(dòng)同期同地舉辦,，充分協(xié)同聯(lián)動(dòng)，品牌效應(yīng)和影響力大幅提升,。加拿大國(guó)家工程院院士,、上海大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)、上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院院長(zhǎng)張久俊出席論壇并發(fā)表主題演講——《全球電動(dòng)汽車(chē)電池及鋰電池的發(fā)展：現(xiàn)狀,、挑戰(zhàn),、展望》。
以下為演講實(shí)錄：
非常感謝大會(huì)的邀請(qǐng),，有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)和大家分享一下關(guān)于目前全球鋰電池發(fā)展的狀況,。
一、新能源電動(dòng)車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)
目前,，全球汽車(chē)總量大約是17億輛,。其中，中國(guó)有2.7億輛,。這些汽車(chē)絕大部分都是燒汽油或者燒
柴油的,，燒汽油就帶來(lái)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(duì)于人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展造成威脅,，這是目前汽車(chē)存在的問(wèn)題,。為什么我們說(shuō)新能源電動(dòng)車(chē)發(fā)展有它的趨勢(shì)？首先，世界上各個(gè)主要發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展新能源汽車(chē)列為國(guó)家戰(zhàn)略,。去年以及前年,，德國(guó)、法國(guó),、英國(guó)這些發(fā)達(dá)國(guó)家都紛紛宣布,，到2040年左右他們國(guó)家要禁售燃油車(chē)。我們中國(guó)也在考慮這個(gè)問(wèn)題,，但是能不能到2040年把所有的燃油車(chē)都取代掉,，我自己覺(jué)得可能有點(diǎn)為時(shí)過(guò)早。但是這是一個(gè)大的趨勢(shì),，告訴我們將來(lái)都要發(fā)展電動(dòng)車(chē),。
為什么要發(fā)展電動(dòng)車(chē)？目前我們國(guó)家在大力提倡碳中和,，雙碳目標(biāo),，到2060年中國(guó)要達(dá)到碳中和。要達(dá)到碳中和,，國(guó)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(nèi)。所以到2040年,，全球電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量需要達(dá)到6億輛,。電動(dòng)車(chē)?yán)锩嬷饕褪请姵兀还苁侨剂想?/span>
池,、鋰電池或者其他電池,，它就是電池。
二,、電化學(xué)能源技術(shù)
什么是電化學(xué)的技術(shù),？電化學(xué)技術(shù)是目前被認(rèn)為最可靠、最有效的能源,，它包括很多,。這里面大概列出來(lái)十多種，常見(jiàn)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(xué)技術(shù)，其中有幾樣可以用在電動(dòng)車(chē)上,。
怎么樣衡量電化學(xué)技術(shù),？有五個(gè)大的指標(biāo),。
1.能量密度要高，尤其在汽車(chē)?yán)?，能量密度是非常重要的?wèn)題,，牽涉到汽車(chē)的續(xù)航里程。
2.功率密度,，存的能要在多長(zhǎng)時(shí)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(chē)上是不可用的。
3.循環(huán)壽命,。汽車(chē)能夠充換電多少次,，這也是很重要的。
4.價(jià)格,。這個(gè)電池再好,，但是非常貴，那也不利于產(chǎn)業(yè)化,。除非在一些非常特殊的環(huán)境下,，比如說(shuō)空間電源上，可以不計(jì)價(jià)格,，或者軍事上不計(jì)價(jià)格,。但是作為民用，大面積推廣,，價(jià)格還是降下來(lái)的,。
5.安全性。安全性應(yīng)該是第一,，這是非常重要的一個(gè)方面,。
五個(gè)大的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量電池的好壞。
這是我根據(jù)能量密度,、功率密度,、壽命和價(jià)格，總結(jié)出來(lái)的各種電池有不同的直白,，可以根據(jù)你的需要來(lái)選擇不同的電池,。當(dāng)然，這里面有很多電池還處在早期的發(fā)展階段,。比如說(shuō)金屬空氣電池,，能量密度特別高，但是現(xiàn)在處于發(fā)展階段,。燃料電池現(xiàn)在可以在汽車(chē)?yán)?，但是價(jià)格特別貴，所以也不適用于大規(guī)模生產(chǎn),。在燃料電池方面要花大力氣解決降價(jià)和設(shè)施的問(wèn)題,。
三、鋰電池發(fā)展的趨勢(shì)
鋰電池有很多的應(yīng)用：
1.運(yùn)載裝備,，應(yīng)用在汽車(chē)上,。
2.能源存儲(chǔ)，光伏發(fā)展非?？?，風(fēng)能發(fā)展非常快,，這些可持續(xù)能源必須要儲(chǔ)存起來(lái),，才能夠應(yīng)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(guó)防航天,。
鋰電池有非常有廣泛的應(yīng)用,。下面講一下鋰電池以及全固態(tài)鋰電池。為什么這個(gè)電池被選用在汽車(chē)上,？因?yàn)樗芰棵芏雀?、功?/span>密度高，有很多優(yōu)勢(shì),。目前,，鋰電池主要用在電動(dòng)汽車(chē)以及家用電器上。
目前,，它存在什么問(wèn)題,？
1.電池壽命不夠。
2.在汽車(chē)?yán)镉?，能量密度不夠?/p>
3.安全性問(wèn)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(diǎn),，但是還是有安全問(wèn)
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(chē)上,，要提高循環(huán)壽命和減少充電時(shí)間，提高安全性,。
這是鋰電池關(guān)鍵材料技術(shù)路線發(fā)展,，從這里可以看到鋰電池包括正極材料,、負(fù)極材料、隔膜,、電解液,、導(dǎo)電劑，一代一代的發(fā)展都是不一樣的,。材料隨著不斷的進(jìn)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?cè)阡囯姵胤矫婧铣傻呢?fù)極材料,，金屬氧化物的負(fù)極材料,，進(jìn)一步提高能量效率。
第二個(gè)可以用到汽車(chē)?yán)锏碾姵厥强沙潆婁嚵螂姵?，能量密度和功率密度都很高,，目前存在一個(gè)問(wèn)
題，循環(huán)壽命還不行,，最好的可以達(dá)到800次,、900次，甚至1000次,，但是這個(gè)在汽車(chē)應(yīng)用完全不
夠,。另外，安全性能也要進(jìn)一步提高,。
第三種可以用在未來(lái)汽車(chē)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(shì)是理論能量密度非常高,，可以達(dá)到30Wh/Kg，相當(dāng)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(gè)是操作條件。
我們做了空氣方面的材料,，這些材料看起來(lái)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(lái)非常漂亮,，顏值高，但是不一定好用,。但是我們這個(gè)材料還是相當(dāng)不錯(cuò)的,。
目前全球電動(dòng)汽車(chē)鋰電池狀態(tài),，化學(xué)組成和最佳實(shí)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(jià)格。能量密度一般都可以達(dá)到300Wh/Kg,，即使磷酸
鐵鋰也可以達(dá)到180左右,，但是價(jià)格也都在100左右，循環(huán)壽命在1000-1500小時(shí),。
我們看看電動(dòng)車(chē)發(fā)展的里程碑,。首先要講到它的續(xù)航里程問(wèn)題，續(xù)航里程實(shí)際上是一個(gè)很大的問(wèn)
題,。從2014年的續(xù)航里程190公里充一次電,，一直達(dá)到我們要求的至少在500-700公里的續(xù)航里程。
大家可能對(duì)續(xù)航里程的概念還不是太清楚,，因?yàn)槔m(xù)航里程和能量效率是有關(guān)系的,，假如這里有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到600Km/Kg,，使我們的電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能量密度要達(dá)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(dòng)車(chē)電池出貨量及系統(tǒng)能量密度,，這個(gè)出
貨量非常大。尤其從2021年以來(lái),，各個(gè)大的鋰電池公司,，據(jù)我所知，機(jī)器全部開(kāi)滿24小時(shí),，訂單已經(jīng)訂到明年去了,。這是一個(gè)雷達(dá)圖，里面有十個(gè)標(biāo)準(zhǔn),，中間的紅色是鋰電池目前能夠達(dá)到的,，這里面牽涉到能量密度，還達(dá)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(jìn)一步的提高,。其中,，我們要發(fā)展長(zhǎng)續(xù)航里程的汽車(chē)，最關(guān)鍵的鋰電池指標(biāo)是能量密度,，能量密度是最關(guān)鍵的指標(biāo),，是技術(shù)更新?lián)Q代的一個(gè)標(biāo)志。當(dāng)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(lái)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(dá)到300Wh/Kg的水平。到2030年要求電池本身能夠達(dá)到500Wh/Kg,。怎么樣能夠達(dá)到這個(gè)指標(biāo),？下面再和大家分享。能量密度和安全和緊緊結(jié)合起來(lái)的,，從這個(gè)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(gè)自然規(guī)律,。任何一個(gè)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(dá)到一定的循環(huán)壽命的時(shí)候,，也有最高的能量密度,，達(dá)到中間的優(yōu)化，這是我們努力的目標(biāo),。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(gè)單體的電池是350Wh/Kg，我們終極的循環(huán)壽命要達(dá)到3000次,。
有效策略有這樣幾種,，首先我們要認(rèn)識(shí)到問(wèn)題，這些問(wèn)題造成的后果，后面有改進(jìn)方式,。
高能量密度在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)叫高能量密度全固態(tài)鋰電池,，這是我們未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。全固態(tài)鋰電池的主要問(wèn)題在什么地方,？
電解質(zhì)的導(dǎo)電性,，包括氧化物的電解質(zhì)、硫化物的電解質(zhì),、聚合物的電解質(zhì),，以及界面與兼容性兩方面的問(wèn)題。我們可以通過(guò)改進(jìn)措施來(lái)達(dá)到全固態(tài)鋰電池的發(fā)展,。
我們看看目前對(duì)于全固態(tài)電池研究的發(fā)展現(xiàn)狀,，這里面列出了很多大公司，包括我們中國(guó)的幾個(gè)大公司,，他們用的電池類(lèi)型,，目前達(dá)到的參數(shù)以及應(yīng)用場(chǎng)景等等,，全固態(tài)鋰電池實(shí)際上還是相當(dāng)不錯(cuò)的,，能輕意達(dá)到300Wh/Kg。
在未來(lái)我們要達(dá)到500Wh/Kg的鋰電池,，有哪幾種電池可以達(dá)到呢,？我列出來(lái)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(gè)方面的問(wèn)題。
1.硫?qū)щ娐时容^低,。
2.體積膨脹,。
3.Li負(fù)極安全性。
4.穿梭效應(yīng),。硫產(chǎn)生反應(yīng)以后,，產(chǎn)生小分子硫化物，可以穿過(guò)溶液到負(fù)極上,，產(chǎn)生穿梭效應(yīng),。
我們也有很多的策略，業(yè)界也在做非常大的努力,。第二個(gè)可能實(shí)現(xiàn)500Wh的電池是鋰空電池,，鋰
空電池存在的問(wèn)題，空氣電極、催化劑,、電解液等等問(wèn)題,，也要進(jìn)行不斷改進(jìn)。
鋰空電池改良策略,，要開(kāi)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(gè)方面,。尋求空氣過(guò)濾等等方法,，都是進(jìn)行改良鋰空電池的一些策略。
四,、總結(jié)
1.基于化石燃料的汽車(chē)會(huì)造成污染并破壞我們的環(huán)節(jié),，必須用電動(dòng)汽車(chē)取代燃油車(chē)。
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(jìn)一步發(fā)展開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)500Wh/Kg能量密度目標(biāo)的必要策略,。
3.提高能量密度、功率密度,、壽命仍然是電池開(kāi)發(fā)的研究重點(diǎn),。探索低成本的高性能電極、電解質(zhì)材料是關(guān)鍵因素,。
4.安全性是未來(lái)鋰電池最重要的因素,。
5.可以進(jìn)一步探索鋰二氧化碳電池，不光對(duì)我們碳中和起到一定的作用,，而且能夠達(dá)到500Wh/Kg
的目標(biāo),，目前停留在概念階段，要進(jìn)一步發(fā)展,。
這是我在過(guò)去十幾年與博士后,、同事和朋友編的書(shū)，里面有七八本都是我們自己寫(xiě)的英文書(shū),，大的出版社出版的,，一共有26本。大家感興趣的話可以上網(wǎng)看一看,。
我們2017年和孫學(xué)連（音）院士在上海大學(xué)出版了一本英文雜志《電化學(xué)能源評(píng)論》,，這個(gè)雜志
2018年進(jìn)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(xué)可持續(xù)能源研究院鋰電池中心的老師和同學(xué),，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(tīng)講！謝謝,！
（注：本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記整理,，未經(jīng)演講嘉賓審閱，僅作為參考資料,，請(qǐng)勿轉(zhuǎn)載?。?/span>
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/茜茜）
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