圖為中國工程院院士陳立泉 圖片來源：中國經(jīng)濟(jì)大講堂
2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國科學(xué)家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科學(xué)家吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。鋰電池，這種輕巧且可充電且性能強(qiáng)勁的電池，改變了人們的生活，也為構(gòu)建一個(gè)零化石燃料使用的社會(huì)提供了可能。可有誰能想到，1991年日本第一個(gè)將鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化之后卻不斷萎縮，反倒是中國將這個(gè)產(chǎn)業(yè)一步一步做到了世界第一。這中間究竟發(fā)生了什么？鋰離子電池為人類創(chuàng)造了一個(gè)新的可充電的世界，而以鋰離子電池為基礎(chǔ)構(gòu)建的“電動(dòng)中國”計(jì)劃，則正在幫助我們擺脫對化石燃料的依賴。但是，如今，鋰離子電池也面臨諸多現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，安全事故時(shí)有發(fā)生，續(xù)航能力有限，能量密度提升已接近上限，鋰離子電池未來何去何從？面對固態(tài)電池、鈉離子電池、氫氧燃料電池等電池新勢力，誰才是未來的終極電池？《中國經(jīng)濟(jì)大講堂》特邀中國工程院院士陳立泉，為您深度解讀《鋰電池如何驅(qū)動(dòng)“電動(dòng)中國》。
圖為中國工程院院士陳立泉 圖片來源：中國經(jīng)濟(jì)大講堂
早在2001年，汽車動(dòng)力鋰電池還不被大家所看好。當(dāng)選中國工程院院士的陳立泉，向時(shí)任863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)負(fù)責(zé)人萬鋼請求：“希望能給鋰離子電池一個(gè)機(jī)會(huì)。”十年后，他成功地將鋰電池材料研究這個(gè)曾被邊緣化的冷門學(xué)科產(chǎn)業(yè)化，解決了鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)、技術(shù)與工程問題，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池從“中國制造”到“中國智造”的大轉(zhuǎn)變，助推我國鋰電池產(chǎn)業(yè)從并跑到領(lǐng)跑，實(shí)現(xiàn)了對日韓等鋰電傳統(tǒng)強(qiáng)國的超越。2007年陳立泉榮獲國際電池材料協(xié)會(huì)終身成就獎(jiǎng)，他開展的全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、室溫鈉離子電池等研究，為開發(fā)下一代動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池奠定了基礎(chǔ)。
2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者分別是Whittingham（斯坦利·惠廷厄姆）Goodenough（約翰·古迪納夫）以及日本的科學(xué)家Akira Yoshino（吉野彰），這三個(gè)人的貢獻(xiàn)是不一樣的。
斯坦利·惠廷厄姆教授，實(shí)際上他剛開始是研究超導(dǎo)材料。關(guān)于超導(dǎo)材料他沒有做什么工作，但是他發(fā)現(xiàn)硫化鈦這個(gè)材料可以制成鋰跟硫化鈦電池，就是鋰作負(fù)極。這種電池的安全性比較差，后來因?yàn)槌隽税踩鹿拾岩晃蝗毡拘〗愕哪槦耍髞磉@個(gè)公司就停了。
之后約翰·古迪納夫就合成了一種化合物叫鈷酸鋰，鈷酸鋰是一個(gè)層狀化合物，可以做鋰離子電池的鋰源，它結(jié)構(gòu)還是穩(wěn)定的，這是古迪納夫的貢獻(xiàn)。吉野彰看了古迪納夫1978年的文章以后，就想辦法用它去做一種電池。它的負(fù)極不用金屬鋰，而是用碳纖維來做負(fù)極，做成這種電池，這種電池后來就叫鋰離子電池。
實(shí)際上鋰離子電池已經(jīng)改變了世界，改變最大的就是給我們?nèi)粘Ｉ顜砹撕芏嗟姆奖愕牡胤健ＶZ貝爾獎(jiǎng)在聲明里頭就說從智能手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品到電動(dòng)車和風(fēng)能、太陽能等大型的儲(chǔ)能裝置，如今鋰離子電池已成為我們生活中不可或缺的能量源。我跟鋰電池打交道大概有四十幾年的時(shí)間，今天我想以鋰電池與“電動(dòng)中國”跟大家一起來交流。
1、我國鋰電池產(chǎn)業(yè)是如何做到世界第一的？
從2018年全球電動(dòng)汽車電池企業(yè)市場份額的排名情況來看，前10名中排名第一的是寧德時(shí)代，就是CATL，第2名是日本的松下公司，第3名是比亞迪，一共10名。2018年，中國有6個(gè)鋰電池企業(yè)位居動(dòng)力電池世界市場占有率前十。寧德時(shí)代是百分之37.23%，穩(wěn)居第一，日本松下公司只有21.54%，排名第二，但是差十幾個(gè)百分點(diǎn)。
中國鋰離子電池產(chǎn)量為什么能夠世界第一？這要從開始來講起。
中國鋰電池研究并不晚，幾乎和世界同步。1976年的圣誕節(jié)之前，科學(xué)院派遣我到西德。那個(gè)時(shí)候德國還沒有統(tǒng)一，東德、西德是分開的。我到西德斯圖加特馬普固體所進(jìn)修，當(dāng)時(shí)我很快發(fā)現(xiàn)他們?nèi)舷露荚谘芯康嚲w的性能，我感到很奇怪，為什么大家對氮化鋰這么感興趣？當(dāng)時(shí)才知道氮化鋰是一個(gè)離子導(dǎo)電的材料，據(jù)說是一種叫超離子的導(dǎo)體，可以用來作汽車的電池。我聽到這句話之后馬上在腦子里想了一下，我是不是要改方向。
他們的研究所有個(gè)開門辦所，有一天對社會(huì)開放，他們就把這個(gè)氮化鋰，這一個(gè)類似于扣子似的小電池?cái)[在桌子上，旁邊放了一個(gè)鉛酸電池。我一看，一個(gè)鉛酸電池很沉，一個(gè)扣式電池很輕。我就想這個(gè)東西的確是很有用的，所以我馬上就給國內(nèi)所里打報(bào)告，我說我要改行，從晶體生長改到新的學(xué)科，叫固體離子學(xué)。大概一個(gè)月以后，所里給我回信，允許我改行。回國以后，科學(xué)院非常支持把這個(gè)項(xiàng)目給物理所，說應(yīng)該給這個(gè)年輕人建個(gè)研究室，所以很快就成立了一個(gè)固體離子學(xué)實(shí)驗(yàn)室。這是當(dāng)時(shí)國內(nèi)第一個(gè)固體離子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也是物理所最小的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。我從事的工作就是鋰離子導(dǎo)體和鋰電池研究。
1991年索尼公司宣布產(chǎn)業(yè)化以后，物理所迅速跟進(jìn)了。當(dāng)時(shí)我們就在思考怎樣能夠邁出產(chǎn)業(yè)化的第一步。我們做研究的單位是把錢變成知識，如果投資的單位是把技術(shù)變成錢。怎么想辦法能把知識變成技術(shù)，就是怎么能夠銜接上，我們提出了一個(gè)思路，就說能不能想辦法讓研究單位往前走幾步，讓投資單位往前走幾步，我們在“橋”中間會(huì)合。所以就找了一個(gè)投資方，1993年簽訂了一個(gè)A型鋰離子電池的研究開發(fā)協(xié)議，投資方給的經(jīng)費(fèi)是10萬元錢，同時(shí)更重要的是派了三個(gè)人來。這三個(gè)人當(dāng)時(shí)對我們有很大支持，因?yàn)楫?dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室我就一個(gè)碩士生，人手很缺乏。
很快1995年第1塊鋰電池就從中科院物理所誕生了。當(dāng)時(shí)的這個(gè)手機(jī)叫“大哥大”，可能年紀(jì)稍稍大一點(diǎn)知道，“大哥大”就是像一個(gè)磚頭一樣的一個(gè)手機(jī)，當(dāng)時(shí)拿個(gè)“大哥大”是一種身份的象征。A型鋰離子電池就是“大哥大”的電池。中科院鑒定以后認(rèn)為，當(dāng)時(shí)這個(gè)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平，可以再進(jìn)一步往下走，這就是當(dāng)時(shí)我們在實(shí)驗(yàn)室怎么樣從知識變成了技術(shù)，走出了這一步。
現(xiàn)在有一種觀點(diǎn)說鋰電池是日本人發(fā)明的，中國在鋰電池方面技術(shù)不行，只是在應(yīng)用水平上比較領(lǐng)先。鋰離子電池的發(fā)明肯定不是日本人，要不諾貝爾獎(jiǎng)怎么是給兩個(gè)美國人和一個(gè)日本人。所以說鋰離子電池是日本人發(fā)明的這個(gè)話不完全對，可以說鋰離子電池是日本人先產(chǎn)業(yè)化的，這句話是對的。
圖為中國鋰動(dòng)力電池市場占有率 圖片來源：中國經(jīng)濟(jì)大講堂
我們可以從這張圖看得出來，日本人最早1991年宣布產(chǎn)業(yè)化，市場占有率是100%，然后一直往下掉，現(xiàn)在還在往下掉。連索尼公司都不做鋰離子電池了，它的鋰離子電池賣給了另外一個(gè)公司。韓國人跟中國人是往上走的，到2014年我們中國的動(dòng)力電池、鋰電市場份額已經(jīng)超過了日本跟韓國，處于世界的第一位，現(xiàn)在還在往上升。
我們鋰電池技術(shù)從目前發(fā)展的情況來看是不錯(cuò)的。實(shí)際上是學(xué)術(shù)界、工程界和產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)合作，是研究院所和大學(xué)的通力合作，高度重視原始創(chuàng)新、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究緊密結(jié)合，加快研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
Goodenough（約翰·古迪納夫）發(fā)現(xiàn)了普遍使用的正極材料鈷酸鋰還有磷酸鐵鋰，但這兩種材料都有缺點(diǎn)。鈷酸鋰實(shí)際上只能取出0.5摩爾的鋰，而磷酸鐵鋰實(shí)際上是個(gè)絕緣體，都有缺點(diǎn)。我們想辦法找出它的缺點(diǎn)，然后通過理論計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行了改性并且取得了專利權(quán)，這個(gè)專利權(quán)對于我們鋰離子電池的發(fā)展起了非常重要的作用。
前幾年比利時(shí)的五礦公司要到中國來收鋰離子正極材料知識產(chǎn)權(quán)費(fèi)，據(jù)說是一噸要收5萬。做鈷酸鋰三元材料大概一噸的利潤可能也不到5萬，他們就到海淀知識法庭把我們告了，后來中國的做正極材料的企業(yè)聯(lián)合物理所和他們庭外和解，因?yàn)槲覀冇羞@個(gè)專利，所以他們再也沒有提要收專利費(fèi)的問題。看得出來，不是我們的原創(chuàng)材料，但是我們做了工作，我們也申請了我們的專利，對于保護(hù)我們自己的企業(yè)是很有好處的。
第二個(gè)例子就是磷酸鐵鋰。它是個(gè)絕緣體，我們通過理論計(jì)算，它是個(gè)一維的離子導(dǎo)體，如果說你在鋰位摻上鉻這種大的離子的話，就把這個(gè)鋰的通道堵塞了，這樣是不行的，沒法用。后來就有人又提出來一個(gè)在鐵位摻鈉。鐵位摻鈉的時(shí)候，顏色變黑了，電導(dǎo)率也提高了幾個(gè)數(shù)量級，它的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率都挺好。所以法國和德國科學(xué)家認(rèn)可這個(gè)工作，這是唯一的一條可行的路，打破了國外的原始專利對磷酸鐵鋰材料的壟斷。這樣才有我們現(xiàn)在各鋰電池企業(yè)在相當(dāng)大量地使用磷酸鐵鋰材料，不受國外知識產(chǎn)權(quán)的影響。
從這兩個(gè)例子可以看得出來，雖然我們沒有做原始創(chuàng)新，但是我們給它改性、再創(chuàng)新了，也是非常重要的。
剛才講的是兩個(gè)正極材料，那么現(xiàn)在我講負(fù)極材料，這是我們的原始創(chuàng)新了。清華大學(xué)很早就申請了天然石墨做鋰離子電池負(fù)極的專利。兩年前，它申請了國家的發(fā)明獎(jiǎng)，這個(gè)發(fā)明獎(jiǎng)就等于是承認(rèn)了我們用天然石墨做鋰離子電池的負(fù)極是我們的知識產(chǎn)權(quán)。光有石墨還不行，石墨的容量是比較低的，372毫安時(shí)每克。硅的容量實(shí)際上是相當(dāng)高的，那么硅能不能夠作為鋰離子電池的負(fù)極呢？1999年我就做了這個(gè)工作，申請了第一個(gè)專利。所以國際上第一個(gè)硅作負(fù)極的專利是我們申請的，這個(gè)是美國人也承認(rèn)的。但是你要把它用上，還是相當(dāng)困難的。從幾百毫克到幾百公斤，用了17年的時(shí)間，這17年我們走的路從文章變成技術(shù)，然后變成產(chǎn)品，變成市場。
我們現(xiàn)在的原材料基本上是已經(jīng)國產(chǎn)化，進(jìn)口的量已經(jīng)相當(dāng)少，同時(shí)我們的設(shè)備絕大部分也都是國產(chǎn)化的設(shè)備，更不用說員工的技術(shù)，現(xiàn)在基本上都是我們自己培養(yǎng)的技術(shù)。
從手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品到電動(dòng)汽車、輪船，鋰離子電池已經(jīng)在我們生活當(dāng)中扮演著越來越重要的角色。但近些年，鋰電池安全問題引發(fā)的事故同樣令人印象深刻。三星手機(jī)電池起火爆炸，電動(dòng)汽車碰撞起火甚至自燃，波音787客機(jī)發(fā)生鋰離子電池起火事故，生產(chǎn)生活受到新的威脅。除了安全問題，鋰電池的續(xù)航能力、電池循環(huán)使用壽命有限等問題，也常常被人們所詬病。能否避免鋰電池成為人們身邊的“炸彈”？如何破解鋰離子電池引發(fā)的各種“焦慮”？
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