锂电池新突破！循环寿命有望大幅提升
近日，荷兰代尔夫特理工大学的Marnix Wagemaker教授团队与中核集团原子能院核物理研究所中子散射团队合作，在国际权威期刊《自然》上发表了锂离子电池领域的最新研究成果。该成果或将大幅提升锂电池循环寿命和快充性能，标志着中核集团重大科研设施中国先进研究堆全面开放应用取得重要进展。
该研究围绕有序层状氧化物开展，这是目前锂离子电池中最重要的正极材料之一。在进行深度充电时，该结构框架容易受到晶格应力、结构或机械化学降解的影响，使得电池容量急剧下降，从而导致电池寿命缩短。
为此，Wagemaker教授团队联合中核集团原子能院等单位，提出了一种解决方法，成功将化学短程无序(CSRD)引入到氧化物正极中，精确调节了锂和钴元素在晶格中的局域分布，使其跨越几个最近邻格点的间距，从而显著提升了锂电池的循环寿命和快充性能。研究利用中子粉末衍射技术获得锂和钴元素的分布特征，发现大约2.6%的钴离子位于锂层中，为证明CSRD结构提供了关键证据。
(科技日报实习记者 薛岩)
来源： 科技日报
中国动力电池新时刻：锂电池征战日韩，谁是下一代电池王者
日韩美等企业逐渐逼近，中国动力电池企业如不能有创新性突破，将很难继续发展
《财经》记者 陈亮 实习生 文龙鑫|文 施智梁|编辑
6月11日，宁德时代新能源科技有限公司（300750.SZ，下称“CATL”）上市，使得中国动力电池行业再度成为焦点。
就在此前高工锂电研究所公布的2017全球动力电池企业销量排行榜中，排在前十名的中国企业有七家，其中CATL的销量达12GWh，居世界第一位。漂亮数据背后，中国动力电池的核心技术不强、制造能力不足、企业间未形成竞争合力等问题也值得关注。
动力电池企业还面临着多重挑战：国内电池企业众多，日韩企业强邻环伺，市场竞争激烈；上游原材料价格一路暴涨，企业成本提高；政府将逐步取消新能源汽车补贴从而给企业带来更多压力。
新的技术正在如火如荼地研发中，世界动力电池产业发达国家正在投入大量物力、人力研发面向未来的固态锂电池和燃料电池技术，抢占技术制高点。那么中国动力电池企业能否实现弯道超车，抢占技术制高点？固态锂电池何时能够实现产业化？
中国工程院院士、锂电专家陈立泉接受《财经》记者专访时表示，我国动力电池能否保持目前的发展态势到了一个关键时刻。他提出中国锂电池企业要全方位抢占市场，特别要重视国际市场；要布局创新，锂电企业自身的技术力量是有限的，应多体系合作，比如和高校、科研院所合作；争取率先实现下一代动力电池技术突破。
中国动力电池产业路在何方
《财经》：目前我国锂离子电池业发展状况如何？
陈立泉：目前锂离子电池企业业绩发生较大波动。根据比亚迪公司2018年一季度财报，净利润同比下滑83.09%。比亚迪表示主要受到政府补贴减少、电动大巴车盈利能力和新能源乘用车在内的新能源汽车业务的整体盈利下滑的影响，对公司整体盈利能力造成较大压力。
从整个产业来看，比亚迪、宁德时代实力相对较强，它们重视研发和技术队伍建设。比亚迪新能源汽车和锂电池都生产，形成了相对封闭的产业链。业绩下滑与相对封闭也可能有关。有迹象显示现在正逐渐开放。
CATL（宁德时代）前几年是比较开放的，与国内研究单位和相关单位合作，利用和调动产业链的积极性，采用国内优势企业的设备和原材料，公司自身注重电池技术的研究和开发，使锂离子电池的质量快速提高，产能也迅速扩张，产品的市场占有率雄居世界第一，实现了由跟跑到并跑的战略转变。如何能保持目前这种状态？如何能实现从并跑到领跑的转变？这是摆在CATL面前的艰巨任务。希望他们能一如既往地开放，充分利用国内相对完善的锂离子电池产业链的优势，加强与研究单位的合作，进一步提高锂电池性能，积极开拓国内外市场，保持优势地位。
在市场占有率靠前的公司如国轩高科、沃特玛、比克和力神等锂电企业都有各自的优势和劣势，但都面临退补和原材料涨价的双重压力，都急需增强研究力量，提高竞争力。如何渡过难关是这些锂电企业当前迫切需要回答的问题。
《财经》：现在我国锂电池产业发展有什么新的进展？发展过程中的难点在哪里？
陈立泉：现在我国锂电池产业发展形势总体是很好的，但存在能量密度低（续航里程）和安全事故时有发生两大问题。这也是国际同行面临的共同问题。
目前特斯拉的电动汽车续航里程虽然能达到六七百公里，但是车载电池量多，成本也就高，最近特斯拉的车撞到护栏发生事故，比亚迪也发生过类似的事故，所以不是哪个电池绝对安全，而是锂离子电池的固有问题。
现在的锂离子电池用的是可燃烧的液体电解质，为了提高能量密度，国际上通用的做法是减少非活性物质的用量，比如把正负极之间的隔膜减薄，这容易导致正负极短路，使电解液燃烧爆炸。前年三星手机电池爆炸就是因为电路设计的缺陷，使用过程中温度升高，由于隔膜太薄，导致多起爆炸事故。
《财经》：现在消费者对电动汽车的安全问题十分关切，对电动车续航里程有更高的期待，如何解决能量密度低和锂电池安全这两个问题？
陈立泉：国家“十三五”规划要求锂离子电池电芯的能量密度要达到300Wh/kg－350Wh/kg，为了完成这个任务，必须用Si/C材料做负极（负极材料纳米硅是我国的专利，获得全世界认可），正极是三元材料或富锂正极材料。
三元材料中的钴是稀缺元素，最近价格暴涨，从成本考虑必须开发高镍三元材料如811，使得三元材料的比例达到9∶0.5∶0.5。
使用硅碳负极和三元材料正极后电芯的能量密度可以达到目标，但安全问题可能更加突出。最近听说国内有的公司已解决了安全问题，是值得庆贺的。
中国锂电池如何在世界征战
《财经》：目前中日韩三国锂电池发展情况如何？
陈立泉：锂离子电池是1991年日本SONY公司宣布实现产业化的，是日本一家独大。我国和韩国很快奋起直追，形成了韩日中三分天下的局面，我国市场占有率处于第三位，与世界十强企业无缘。
我在2010年做了一个报告《中国锂电池如何突围》，其中指出，（中国锂电池要突围）在很大程度上取决于对锂离子电池基础研究的重视；取决于政府和企业家资金的投入；取决于正确的国家战略。
在国家大力发展电动汽车政策推动下，发扬“三千越甲可吞吴”的精神，锂电池实力迅速上升，产品竞争性大大增强。到2014年中国锂离子电池市场占有率就超过日本和韩国。今年的数据显示宁德时代已超过松下，排名世界第一。
《财经》：您提到日本锂电池企业率先实现产业化并且一家独大，后来被韩国电池企业超越。韩国电池企业是如何快速赶超日本的？
陈立泉：韩国锂电池发展较快，第一是刚开始时，聘请日本的电池工程师周末到韩国帮助其研发，同时引进设备，分析改造之后再制造的设备效率比日本高，日本反过来又进口韩国设备。
第二是政府的大力支持，2007年前后韩国政府连续出台了三个计划，加起来有3亿多美元支持三星和LG研发锂电池。分析中日韩锂电市场占有率的演变曲线可以发现，韩国从2007年-2011年市场占有率很快增高并达到顶点，由于中国的雄起，使之下降。
《财经》：当时韩国追赶日本的时候是从低端锂电池做起的吗？还是直接研发高端锂电池？
陈立泉：从锂电池来讲的话，日本企业一开始是行业龙头。ATL（日本控股）实际上是获得苹果订单后发家的，刚开始是生产蓝牙里的电池，那时候卖几十美元，因为当时大家很关注蓝牙，市场需求大。后来韩国的三星和LG崛起，实现技术的创新，发展超过日本。现在三星锂电池进入我国市场，给我们的企业带来很大的压力。
《财经》：日韩电池企业哪些发展经验是值得我们借鉴的？
陈立泉：在韩国快速发展时，日本采取了逆向追赶战术，加快研究开发下一代锂离子电池的材料，即电极材料“黑匣子”，企图使韩国人的追赶速度放慢。所以韩国和日本的经验都值得我们学习。我们既要加强电池材料和体系的创新、不断提高电池性能，又要在引进设备的基础上研发国产的智能化设备、降低电池生产成本，使国产锂离子电池在性价比上优于韩日，从而保持优势。
《财经》：韩国企业市场占有率的衰退是否因为萨德事件后中国抵制韩国锂电池？
陈立泉：韩国市场占有率往下降，有人认为是因为韩国部署萨德系统，我们抵制使用韩国电池，实际上不完全是这个原因。韩国电池企业下降的趋势早于萨德系统的部署，完全责怪中国是不对的，近两年取消补助韩国企业，只是加速了下降趋势而已。
事实上，韩国企业在中国发展占了很大便宜。一是韩国企业在中国实际上是获利丰厚的，前几年韩国提供技术与中国企业合资，还要占股51%。二是我国原材料包括电池的正负极愿意卖给韩国公司，原因是订单大，出口有补助，所以韩国公司买的原材料价格要比国内的电芯公司便宜。三是中国锂电企业主愿意高价购买韩国自动化设备，同时原材料比韩国贵，这样比较很多方面不如韩国。
《财经》：在新的政策环境下，中国锂电企业如何良性发展？
陈立泉：前几年电芯厂家呼吁有政策能对中国电池企业进行保护，国家出台了政策比如提供补助以促进新能源汽车产业的发展，对锂电池产业是有利的。但是去年开始退补，锂电产业又到了一个关键点，如何能保持前几年的发展态势是大家关心的问题。
中国锂电池企业要全方位抢占市场，特别是要重视国际市场；要布局创新，锂电企业自身的技术力量是有限的，应多体系合作，比如和高校、科研院所合作；争取率先实现下一代锂离子电池的突破。这样我们就能让人家成为跟跑者。分析韩国的锂离子电池发展历程对我们是有帮助的。
《财经》：值得关注的是中国锂电企业大都是独立个体，背后没有国家或财团支持，那么如何与LG化学、三星SDI这样有大财团背景的企业竞争？
陈立泉：LG、三星名义上不是国家，但实际上跟政府有千丝万缕的联系。之前因为萨德问题可以限制韩国电池企业进入，但如果是跟韩国关系缓和，难以名正言顺限制韩国电池企业进入中国，现在跟它们竞争，政府应该扶持我们的优势企业，比如对这领域的优势企业进行帮助。
一些中国企业倾向于与外国企业合作，企业之间没有联合起来。比如我了解的一家国内电池公司欲跟通用公司合资研发钠盐电池，当时该公司征求我们的意见，我们没有人支持这个合作项目。但是去年该企业仍然举行了签字仪式。我们的企业对国内的技术不信任，也没有建立起完善的孵化器实现技术创新和推广。
下一代电池谁是王者
《财经》：作为下一代电池的主要突破点，固态锂电池技术进展如何？
陈立泉：我们一直在做固态电池的基础研究，希望五年内实现产业化。考虑现有技术不能完全抛弃，在此基础上逐渐转向固态电池发展，以降低成本。
现在美国、日本、韩国和欧洲都在研发固态电池。比如日本丰田公司目前正在研发由全固态电池提供动力的电动车， 最早将于2022年开售此款新车。宝马等车企也正研发全固态电池，希望未来十年能够量产。如果我们五年内实现产业化，就有了竞争优势。
《财经》：那么您觉得五年之内，固态锂电池能够实现产业化吗？
陈立泉：五年之内实现固态电池产业化是前几年提出的，确切说是2020年(十三五)实现产业化。现在国内已经成立了几家固态锂电池公司。中科院物理研究所与投资方组建了卫蓝新能源公司，今年计划实现固态电池装车演示，这只是第一步。其他方面的应用也正在积极开发。
研发固态电池是下一代技术制高点。比方说现在电池三元材料，韩国人也卡在针刺这一关，现在国内也没有解决这个技术难题。但据说国内有的企业解决了这个技术难题。所以必须取得关键的、前沿的技术。
《财经》：最近几年，市场上锂的价格暴涨，那么固态锂电池如何缓解成本的压力？
陈立泉：地球上锂资源是有限的，远不能满足全球电动汽车、规模化储能和消费电子产品的需求。近年来锂盐价格成倍增长。三元正极材料中的钴更是稀缺元素，这一两年价格暴涨。这给锂离子电池的成本带来很大压力。
固态电池虽然仍需要用锂做负极，但正极的选择范围可以更大，可以不必用含钴等稀缺元素的正极材料。
同时，我们现在还在研究钠离子电池，也已成立了产业化公司。钠的资源十分丰富，正极材料也不用钴、镍等稀缺原料。钠离子电池可以广泛用于规模储能和低速电动汽车。我们希望在钠离子电池研究、开发和产业化方面，中国能领跑世界。
《财经》：现在业界谈到锂硫电池、铝空气电池，您认为它们具有研发前景吗？
陈立泉：锂硫电池研究可以，但最后市场是否认可是另外一个问题。因为锂硫电池的理论能量密度相当高，但硫是绝缘体，做成电极一定要加大量导电添加剂，它体积能量密度就不高。另外是环境问题。现在北京大学夏定国教授已研制出一种全新的正极材料，其容量可达400mAh/g，用这种材料做正极的锂离子电池的能量密度可能达到锂硫电池的水平，甚至更高。
现在的铝空气电池是一次性电池，不是可充电电池。是以色列人开发成功的。前几年有人在电动汽车百人会上介绍铝空气电池充一次电续航1000公里。但是要把它产业化，真正投入市场使用是有问题的。
问题在哪？它是可重复使用，而不是重复充电（是Reusable，不是Rechargeable），铝消耗后生成氢氧化铝，再电解生成铝，重新制成正电极板后，装在电池上使用。不计运输和加工成电极的能耗，能量效率最高只达到20%到30%，而锂离子电池的库伦效率高于90%。
现在我们正在研究可充放的铝离子电池。刚刚开始，前景还很难预料。
《财经》：中国电动汽车百人会新发布的报告还提到了锂空气电池技术，这项技术现在的研发进展如何？
陈立泉：如果锂离子固态电池难以研发，锂空气电池更难。因为锂空气电池的负极是金属锂，正极是空气，但是空气含有水分、二氧化碳。所以锂空气电池更远，因为电解质肯定是固态的，不可能是液态的。
（作者微信：13918714572，欢迎交流）
（本文首刊于2018年6月25日出版的《财经》杂志）
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