远方锂电池 滩涂上崛起一座锂电小镇！新能源车“长寿电池”问世，续航200万公里

滩涂上崛起一座锂电小镇！新能源车“长寿电池”问世，续航200万公里

国家提出要在2035年基本实现新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化的远景目标。我们正行进在逐梦的路上，更多指向未来的努力正在前行。征途漫漫，唯有奋斗！

电池寿命长达16年、汽车总续航里程超过200万公里， 中国研发出长寿电池

2016 年，喻鸿钢反复考量，终于说服自己放弃了广东东莞的工作，到福建宁德去工作。这座福建的山海小城，在仅仅八年的时间里，就从全国各地聚集了数万名像他一样的人才。

吸引他们而来的，就是当今非常火热的新能源产业。新能源技术，是下一轮科技革命和产业革命的突破口。宁德时代新能源科技股份有限公司电芯研发部高级经理喻鸿钢来到宁德的第一个任务，就是负责储能长寿命锂离子电池项目的技术研发。

常规锂离子电池的寿命只有3000到6000个循环，而他们将电池寿命延长到12000次循环，实现了“全生命周期阳极锂离子补偿技术”在储能领域的工业化应用。

历时四年，长寿命电池储能项目成功落地，取得60余项专利。把这种技术拓展应用到电动汽车领域，开发出的锂离子电池寿命能达到16年，总续航里程可以超过200万公里。

在宁德时代自主研发的全自动电池生产线上，每1.7秒就有一块锂离子电池从这里下线，24小时不停，依然供不应求。2020年，全世界每销售4辆电动汽车，就有一辆搭载着产自这里的“动力心脏”。

这座在滩涂上迅速兴起的锂电小镇，正成为全球瞩目的新能源产业聚集地。

3D 打印造出大型水电机组零部件，铸造业改头换面

这是六年前宁夏的一家铸造厂，厂区充斥着粉尘、噪音，污染严重。

六年后，这里已经变成一个全新的3D打印基地。他们，正在颠覆着传统意义的铸造生产。

在这个智能车间，三名工人管理着14台3D打印机，这些打印机24小时作业。彭凡，在脏乱差的铸造厂干了30多年，他立志要做铸造产业的颠覆者。

宁夏共享集团董事长 彭凡

车间里，正在打印的是大型水电机组整铸转轮砂型。喷头射出的树脂与砂子里的固化剂发生反应后固化，勾画出砂型截面图形。转轮砂型要通过2000层堆叠，每层砂子的厚度只有0.3毫米，只要有一层没有达到水平，之后所有的砂层都将倾斜，导致整个砂型报废。

16个小时，昼夜不停，一个形状复杂、直径4.6米的整铸转轮砂型终于打印出来，尺寸精度误差不到1毫米。

而在总装车间里，一台铸造砂型3D打印设备正在进行框架总体吊装，用它可以打印一个3吨重的成年非洲大象模型。

六年前，彭凡带着大家在车库里组装出第一台铸造砂型3D打印机，现在，他们可以批量生产铸造砂型3D打印设备，去改变更多的铸造企业。

目前中国有26000多家铸造企业，3D打印和人工智能颠覆的不仅仅是一两家工厂，而是整个行业。彭凡仍然奔走在逐梦的路上。

农田防病用上无人机，200 架飞机能顶千人干 10 天

安徽阜阳，退伍兵闫文炯回乡后迷上了玩无人机，没想到这份爱好开启了他的事业。2018年，闫文炯从自己买的两台机器干起，现在他的团队已经发展到近五百人400多架无人机。田间地头成了他新的战场。

这次整个地区小麦赤霉病统防统治总面积150万亩，闫文炯带领着13个作业队，每天有200架飞机在同时作业，一天就能完成10万亩的植保任务，过去这需要上千人花10天时间。

支撑闫文炯去实现梦想的，是他身后的科技力量。继农业植保无人机之后，这家农业科技公司又设计制造出全球首款量产的农业无人车平台，农业现代化可以很大程度上解决农村劳动力短缺的问题。

今天，这款农业无人车能根据不同农事需求，设置不同的作业模式，在智能控制下，无人化精准作业，成为“农田里的变形金刚”。科技进步正推动着传统农业向现代农业跨越。

“人体哈勃望远镜”来了，一分钟完成一次全身PET扫描

上海，一家医疗设备企业培育出的硅酸钇镥晶体尺寸和性能都位于世界前列，它是制造数字光导探测器的核心材料。

这家公司，要基于自主研发的数字光导探测器技术，制造一台2米的PET-CT，实现全身信号一次覆盖。这是一次前所未有的挑战。

从晶柱到晶体阵列，要经过七道工序的切片、打磨。一台2米PET-CT系统安装8个单元共192个探测器模块，需要564480根晶体单元。

这192个探测模块必须精准地组装到一起，以确保56万多个PET探头能获取近1000亿个编码通道的准确信号。

这是第一台能够实时动态监测药物在人体全身代谢分布的高端医疗设备，被称为“人体哈勃望远镜”。

上海中山医院，世界首台2米PET-CT系统已经开始为患者服务，1分钟就能完成一次全身PET扫描。

它不仅让医生实现对重症患者的精准诊疗，也给新药研发等一系列领域打开无限可能的大门。

新材料纳米银线：直径只有头发丝的万分之一

39岁的时候，潘克菲回国创业，落户苏州工业园，他要做导电新材料，银离子。这些顺水游动的银白色线条，就是潘克菲团队自主培育的纳米银线。

在电子显微镜下放大10万倍，我们看到的纳米银线像线团一样交叉纵横，它的长度是直径的1000倍。

苏州诺菲纳米科技有限公司董事长 潘克菲

2015年，他们用自己攒的机器、自己设计的卷对卷涂布工艺，终于生产出纳米银导电膜。

钢铁、水泥是传统工业的重要基础，新材料就是发展战略性新兴产业的基石。在从制造大国向制造强国迈进的征途上，材料创新正在推动着高质量发展的脚步。

国产手机用上国产芯片，“澎湃”有力

2019年，在北京清河的一栋大厦里，左坤隆博士带领着一个上百人的团队，开始了芯片的研发。他们第一个目标是研发一款手机的图像处理芯片。

要在指甲大小的空间里，放上亿个半导体元件，每个元件都是纳米量级，试错成本高，排错难度大。左博士他们从这款芯片设计开始，各种试验已经重复了上千次。

2021年3月30日，这颗取名为“澎湃”的芯片终于公开亮相，虽然这不过是一颗辅助用的影像芯片，但也足以让人心潮澎湃。如今，这款芯片已经被安装在一款国产智能手机中。

房车装上智能互联，温度湿度全自动

距离北京400多公里，乌兰察布察右后旗。今天，智能工程师们，要在这里对改造后的房车进行实地测试。

从进入房车的身份验证，到自动感知空气湿度打开加湿器，感知温度开启空调，工程师们把这辆房车变成了移动的互联之家。

工程师罗旋从小就有许多关于智能生活的奇思妙想，而现在，他和小伙伴们在一点一点实现着儿时的愿望。

罗旋他们的下一个目标，是要解决在没有网络的情况下，智能设备利用离线模式实现联动。万物互联、智能生活，追求梦想的脚步一直在路上。

2021年5月15日8点20分，“天问一号”携“祝融号”火星车成功着陆火星乌托邦平原南部，当它在火星上第一次留下中国足迹，不仅标志着中国人的航天梦又向前跨越了一大步，也再次展现出中国工业的强大综合实力。

火星探测是中国迈向深空的第一步，中国航天，逐月追星，步履从未停歇，未来还将开展载人登月，并准备去探测远在7.8亿公里以外的木星。

定义未来的永远是人。从星际探测到智能制造、新型材料、绿色能源，还有更多从未抵达的远方，召唤这些年轻人展开想象，付出努力。

来源：央视财经（ID：cctvyscj）

栏目主编：秦红 文字编辑：李林蔚 题图来源：图虫 图片编辑：徐佳敏

来源：作者：央视财经

生活不止眼前的锂离子电池 还有远方的锂空电池

经济的发展、化石能源的快速消耗和环境的恶化成为近几年不可调和的矛盾。化石能源在经济的飞速发展中占据着重要的角色，但这种以能源、环境换经济的发展方式在去年全国大范围的雾霾的背景下越发显得捉襟见肘。以LiCoO2/C为代表的锂离子电池储能体系，由于能量密度等的限制，人们不得不去开发新的能源电池体系。在这个过程中，锂硫电池，锂空气电池和燃料电池等成为了人们关注的焦点。在这些电池体系里面，最具争议的当属锂空气电池了（图1.1）

图1.1 锂空气电池

总体来讲，锂空气电池的能量密度（3600 Wh Kg-1）是现有锂离子电池的好几倍，并且具有能够媲美汽油1700Wh Kg-1的能量密度（图1.2）。因此，锂空气电池凭借一次充电有可能使电动汽车航行500英里（大约800km，特斯拉model s的实际续航里程约为300km）的强大能量密度而被认为最有潜力的可充电电池。

图1.2 和汽油相比，不同类型可充电电池的的能量密度。

对于锂空电池而言，其实际应用价值是根据理论推测估算的，汽油的实际应用价值是综合油箱，发动机，轮子等因素的平均值

锂空电池并没有我们想象中的那么神秘。它同时具备锂离子电池的离子穿梭特性和燃料电池的能量转化特性，是一种介于锂离子电池和燃料电池之间的一种电池形态，所以称它为“氧燃料电池”或者“锂燃料电池”或许更合适。它的反应原理随电解液类型的不同而略有差异，这里以研究的最多的有机电解液锂空电池为例简要介绍（图1.3）。在放电过程中，负极的金属Li失去电子而空气电极的O2得到电子，锂离子通过隔膜、电解液到达正极与负氧离子发生反应生成Li2O2，充电反应中Li2O2发生分解，形成金属Li并释放出O2。总结起来，锂空电池的充放电过程的总反应如下所示：

放电反应：O2 + 2Li→Li2O2

充电反应：Li2O2→2Li + O2

图 1.3 锂空气电池的反应原理图

然而问题来了，（1）放电产物Li2O2是个绝缘体，且不能溶解在电解液中引起阴极巨大的体积膨胀从而堵塞O2通道阻断反应；（2）同时较高的充电电压给电解液和粘结剂增加额外的负担，电解液和粘结剂的分解会形成恶性循环进一步加速电池充放电反应的停止。因此设计全新的电池体系（也有人认为是高效催化剂，但催化剂治标不治本）解决放电过程中Li2O2的形成，成为了一种行之有效的解决方法。

目前的解决方案主要有三种：（1）采用水系电解液来避免Li2O2的生成（如图1.4a）；（2）在电解液中加入合适的添加剂，来防止Li2O2的形成；（3）设计有机电解液+水系电解液混合型锂空电池体系（如图1.4b）。在上述方法中，方法（1）需要采用固态电解液隔绝水系电解液和Li片的接触，但由于固态电解液和Li片的接触面积较低影响Li+的传输速率而限制了其应用。方法（2）能够有效解决Li2O2的生成，但在能量密度和易用性上难以有大的提升。方法（3）不仅能够解决Li2O2的聚集问题，而且在能量密度的增加，电池的持续放电，稳定性和可设计性的提升上都具有得天独厚的优势。

图 1.4 水系电解液和混合型电解液模型图

对于有机电解液+水系电解液混合型锂空电池的反应原理如图1.5所示。从图中可以看出，整个电池由两种电解液组成。有机电解液可以增加和Li片的接触面积，而水系电解液可以避免Li2O2的聚集，中间隔膜为固态电解液。该电池体系具有以下的优点：

（1）在放电过程中，由于水系电解液的存在，可以完全避免Li2O2的生成，同时，水系电解液为离子溶液，改善电池体系的导电性。在充电过程中能够轻松实现LiOH的电解；

（2）这样的设计，其能量密度将不再取决于空气电极，而是Li片的大小。当LiOH在电解液中达到饱和时，通过添加水能够实现再次放电（前提是有足够多的Li片），对于延长续航、增加能量密度都是一个不小的进步。

（3）由于空气的成分复杂（CO2和H2O等都会参与副反应），目前锂空电池的阴极主要为纯氧。但是在有机+水系电解液混合型锂空电池中，则完全不用担心这个问题，即锂空气电池可以真正实现空气电池。

（4）除了传统锂离子电池所具有的性能特点外，该电池还具有全新的特点。当负极金属Li消耗完后，可以通过两种方式（更换Li片或者充电）实现再次放电。更换锂片可以让电池瞬间满血复活，同时回收水系电解液中的LiOH实现Li片的再利用。因此该电池还被称作“锂燃料电池”。

图 1.4 混合型双电解液体系锂空电池反应原理图

虽然该电池有诸多优点，但这种一劳永逸的设计也存在一些技术上的弊端。

（1）安全性。在双电解液体系锂空电池中，隔膜占据着举足轻重的位置。一方面需要完全隔绝H2O，防止H2O和Li片发生反应产生H2，造成危险；另一方面还要能够满足快速的Li+的扩散速度，实现大电流的充放电。因此开发较高电导率和Li+传输速率的固态电解液成为一个可行的切入点。

（2）在双电解液体系中，水系电解液的溶氧能力是大电流充放电时重要的影响因素。以（-）0.1g Li∣100ul有机电解液‖100ul水系电解液∣科琴碳（+）在1000mA gLi-1的电流密度下进行放电为例，通过计算可以知道每秒O2的反应量为58.24mlO2/LH2O，而在常温下O2的溶解度仅为6.84 mlO2/LH2O，相差8.5倍。

（3）正极催化剂。高效、廉价的正极催化剂与放电电压平台、能量密度都有着紧密的联系。但目前催化剂依然面临着催化性能与价格两个不可调和的矛盾。

综上所述，双电解液体系锂空电池还处于起步阶段，各种问题还没有完全暴露出来，以上可能只是冰山一角。锂空电池是不完美的，也正是因为其不完美才会吸引越来越多的人去发展和完善。

一项新技术的出现，总是承载着人们的期盼但同时又饱含冷漠与非议。就像当初爱迪生发明留声机一样，当科技以不经意的方式悄然改变着我们生活的同时，很少还会有人记得当初人们对这项技术的嘲讽和争议。当下我们只需潜心研究、步步为营，剩下的就交给历史来评判了。

最后，给默默耕耘在研究一线的同学送上一句话：路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

本文由材料人新能源学习小组成员王小春供稿，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，有意参与新能源领域文献解读和文献进展汇总以及深度挖掘新能源学术、产业信息，请加“新能源学习小组 461419294”。

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