中國鋰電池“突圍記”

①20世紀90年代中國固態(tài)鋰電池。

②鋰電池科研團隊研發(fā)的固態(tài)鋰離子電池(半固態(tài)磷酸鐵鋰儲能電池)儲能系統。

③鋰電池科研團隊正在討論。

④發(fā)展壯大的鋰電池科研團隊。 物理所供圖

鋰電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件。在世界汽車(chē)大國你追我趕、逐鹿新能源車(chē)的今天，得鋰電池者得天下。

2023年6月，一塊由我國自主研發(fā)、能量密度每公斤360瓦時(shí)的固態(tài)鋰電池正式交付給電動(dòng)汽車(chē)的龍頭企業(yè)，在業(yè)內引發(fā)熱議。這一進(jìn)展標志著(zhù)中國在電動(dòng)汽車(chē)大國的道路上又邁出了重要一步，被認為是全球電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的重要里程碑。

鮮為人知的是，到達這一“里程碑”之前，中國科學(xué)院物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)物理所)科研團隊已經(jīng)在鋰電池領(lǐng)域潛心耕耘40余年。

40多年前的中國，自行車(chē)都還未普及，汽車(chē)對普通人而言更是可望而不可即的奢侈品。由中國工程院院士、物理所研究員陳立泉帶領(lǐng)的團隊見(jiàn)微知著(zhù)，意識到固態(tài)鋰電池的重要性，并前瞻性地進(jìn)行布局，歷經(jīng)艱難曲折，終于推動(dòng)中國鋰電池工業(yè)實(shí)現了從無(wú)到有、從跟跑到領(lǐng)跑的歷史性跨越。

歲月悠悠、青春不再，如今84歲的陳立泉夢(mèng)想依舊：未來(lái)的中國天更藍、路更寬，電動(dòng)汽車(chē)飛馳在大街小巷。

“我們的目標一定會(huì )達到。”面容清瘦的他目光堅定、自信滿(mǎn)滿(mǎn)。

1 故事從“轉行”開(kāi)始

“我想轉向研究超離子導體。目前整個(gè)馬普固體所幾乎都在研究氮化鋰(Li3N)，據說(shuō)可用來(lái)制造汽車(chē)的動(dòng)力電池。”

1976年末，正在德國馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)馬普固體所)訪(fǎng)學(xué)的陳立泉給物理所領(lǐng)導寫(xiě)了一封信，申請改變研究方向——從晶體生長(cháng)轉向固態(tài)離子學(xué)。

“同意!前提是要完成導師交代的晶體生長(cháng)任務(wù)。”物理所領(lǐng)導很快回復。

這個(gè)決定，讓歷史的航船轉變了航向。

在馬普固體所，陳立泉了解到，氮化鋰是一種超離子導體，可以用來(lái)制備固態(tài)鋰電池。用氮化鋰制造的固態(tài)電池能量密度遠遠高于鉛酸電池，未來(lái)有可能應用在電動(dòng)汽車(chē)上。因此，深入理解、研究這一材料極為重要。

當時(shí)，世界正經(jīng)歷石油危機，不僅西方社會(huì )陷入二戰后最為嚴重的經(jīng)濟衰退，我國也不得不大量進(jìn)口石油、填補需求缺口。

這更讓陳立泉認識到，替代石油的能源革命一定會(huì )到來(lái)，研發(fā)固態(tài)鋰電池是大勢所趨。轉方向申請得到批準后，他僅用5個(gè)月的時(shí)間就完成了原計劃一年的晶體生長(cháng)任務(wù)，之后一頭扎進(jìn)固態(tài)離子學(xué)領(lǐng)域，研究超離子導體。

1978年，法國科學(xué)家米歇爾·阿曼德首次報道了固態(tài)金屬鋰電池的研究成果。同年，陳立泉返回中國。兩年后，在物理所大力支持下，國內首個(gè)固態(tài)離子學(xué)實(shí)驗室宣告成立，陳立泉正式開(kāi)啟固態(tài)離子學(xué)的相關(guān)基礎研究，向著(zhù)最終目標——固態(tài)鋰電池進(jìn)發(fā)。

此后，中國科學(xué)院連續3個(gè)五年計劃都將固態(tài)離子學(xué)和鋰電池列為重點(diǎn)或重大項目，為這項研究提供了基礎保障。

1987年，我國啟動(dòng)“863”計劃“七五”儲能材料(聚合物鋰電池)項目，由陳立泉擔任總負責人，下設12個(gè)課題組。憶昔撫今，陳立泉很是欣慰：“目前我國很多企業(yè)都在生產(chǎn)鋰電池，所使用的技術(shù)主要就是由這12個(gè)課題組的科研成果轉化而來(lái)的。”

1988年，第一批固態(tài)鋰電池在實(shí)驗室誕生，但其距離商業(yè)化應用還非常遙遠，中國鋰電池未來(lái)的道路依然布滿(mǎn)荊棘。

進(jìn)入20世紀90年代，鋰電行業(yè)風(fēng)云變幻。研發(fā)前景不明，到底誰(shuí)能來(lái)做中國鋰電池的“領(lǐng)航者”?

陳立泉團隊用行動(dòng)扛起了旗幟。

2 轉攻鋰離子電池

1991年，日本索尼公司宣布(液態(tài))鋰離子電池實(shí)現商業(yè)化。

“固態(tài)鋰電池使用金屬鋰作為負極材料，而鋰離子電池將鋰以離子的形式藏在碳材料里，更加安全——這是二者的最大區別。”物理所研究員黃學(xué)杰說(shuō)。他們先“放下”了還不成熟的固態(tài)鋰電池，轉而研發(fā)鋰離子電池。

1993年，經(jīng)費接續不上，陳立泉心急如焚地找到中國科學(xué)院領(lǐng)導求援：“鋰離子電池非常重要，鋰電池將由此復活。”中國科學(xué)院給予了最大限度的支持，但研究經(jīng)費依然不夠。陳立泉又找到一位敢于冒險的企業(yè)家才補足缺口，立即開(kāi)始研發(fā)鋰離子電池。

1995年，中國第一塊A型鋰離子電池在物理所誕生。當年12月下旬，黃學(xué)杰結束歐洲訪(fǎng)學(xué)，回到物理所，趕上了中國科學(xué)院1996年1月組織的鑒定會(huì )。他受陳立泉邀請，接任固態(tài)離子學(xué)與能源材料課題組組長(cháng)。那年，黃學(xué)杰29歲，是陳立泉團隊的“元老”之一。加上他，課題組總共3個(gè)人。

回憶起那段歷史，黃學(xué)杰很是感慨：“那段時(shí)間，‘板凳’都是冰涼的，幾乎干不下去了。”

當時(shí)，與超導、磁學(xué)等國際熱門(mén)研究方向相比，鋰離子電池屬于“冷門(mén)”，在科研經(jīng)費異常緊張的情況下開(kāi)展相關(guān)研究難免受到一些質(zhì)疑。

但黃學(xué)杰不服氣。他問(wèn)物理所領(lǐng)導，如果他們轉換賽道做產(chǎn)業(yè)化，所里能否給予更大支持。

黃學(xué)杰這么做的底氣，源于首批鋰離子電池樣品的技術(shù)水平。1996年，中國科學(xué)院輾轉將A型電池樣品送到當時(shí)最大的手機生產(chǎn)商美國摩托羅拉公司進(jìn)行測試，很快得到了正面的評價(jià)結果。

不過(guò)，那時(shí)實(shí)驗室每天做的鋰離子電池數量還不足10塊，而產(chǎn)業(yè)化之前的中試線(xiàn)至少需要每天生產(chǎn)1000塊。當時(shí)課題組的人、財、設備極其有限，黃學(xué)杰一籌莫展。

關(guān)鍵時(shí)刻，中國科學(xué)院鼎力支持，東拼西湊拿出80萬(wàn)元。“看來(lái)中國科學(xué)院是真干!”澳門(mén)一家合作企業(yè)的負責人深受鼓舞，投資了中試所缺的600萬(wàn)元。

很快，黃學(xué)杰牽頭引進(jìn)了少量設備，其余都是自制的。經(jīng)過(guò)消化—吸收—再創(chuàng )新，1997年，鋰離子電池中試工作終于在物理所啟動(dòng)。

為更好地了解鋰離子電池生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節，陳立泉和黃學(xué)杰親力親為，在這條生產(chǎn)線(xiàn)上當了一年多的“工人”，什么臟活、累活都干。

1998年秋，依靠自制的設備、國產(chǎn)原材料和中國人自己的技術(shù)，科研團隊建成了第一條年產(chǎn)量20萬(wàn)支A型圓柱形鋰離子電池的中試生產(chǎn)線(xiàn)。這是中國第一條正式投產(chǎn)的鋰離子電池中試生產(chǎn)線(xiàn)，解決了規?；a(chǎn)鋰離子電池的主要技術(shù)和工程問(wèn)題，為探索我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化道路作出了奠基性貢獻。

同年，黃學(xué)杰發(fā)起成立北京星恒電源有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)北京星恒，2003年遷址，改為蘇州星恒電源有限公司，以下簡(jiǎn)稱(chēng)蘇州星恒)。第一批產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，標志著(zhù)中國正式實(shí)現了鋰離子電池商業(yè)化。

“中國科學(xué)院和科技部支持的快離子導體和固態(tài)電池的研究，為鋰離子電池的研究和生產(chǎn)儲備了知識、技術(shù)、設備和人才。由于我們使用自研設備，不僅大大降低了鋰離子電池的價(jià)格，產(chǎn)品也達到了同樣的性能。”陳立泉回憶說(shuō)。

從此，中國鋰離子電池的全球競爭力顯著(zhù)增強，并快速躋身世界前三。

3 從跟跑到領(lǐng)跑

當時(shí)，物理所生產(chǎn)的電池的市場(chǎng)主要面向兩輪車(chē)，以及電視臺等媒體的攝影攝像設備。

黃學(xué)杰講了一個(gè)小“插曲”：2001年，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國科協(xié))在長(cháng)春舉辦學(xué)術(shù)年會(huì )，時(shí)任中國科協(xié)主席、第九屆全國人大常委會(huì )副委員長(cháng)周光召和著(zhù)名物理學(xué)家楊振寧為黃學(xué)杰頒發(fā)了中國科協(xié)“求是杰出青年成果轉化獎”。頒獎儀式后，周光召問(wèn)黃學(xué)杰：“鋰電池做得怎么樣?產(chǎn)品應用情況如何?”黃學(xué)杰回答：“記者的攝像機電池就是我們的首個(gè)產(chǎn)品。”

周光召聽(tīng)后，便請相關(guān)同志去看看，參會(huì )的7家電視媒體用的是哪種品牌的電池。結果令人驚喜：有4家用的都是物理所的電池，另外3家用的是外國品牌。

周光召倍感振奮，回京后不久就到北京星恒實(shí)地探訪(fǎng)。不僅如此，他還力邀時(shí)任科技部部長(cháng)徐冠華到該企業(yè)考察。這極大鼓舞了研發(fā)團隊的斗志，激勵著(zhù)他們乘勝前進(jìn)，推動(dòng)中國鋰離子電池邁上新臺階。

但是，做攝像機、電動(dòng)自行車(chē)電池畢竟只是“小目標”，制造汽車(chē)動(dòng)力電池才是陳立泉和黃學(xué)杰的終極夢(mèng)想。

隨著(zhù)時(shí)間推移，基礎研究取得重要突破性進(jìn)展。材料是鋰離子電池的關(guān)鍵，一代材料決定一代電池。對于一塊電池，制造成本只占20%，材料成本則占80%。

物理所研究員李泓還是博士生的時(shí)候，就發(fā)明了納米硅負極材料，并申請了世界第一個(gè)納米硅負極材料專(zhuān)利，這一材料可顯著(zhù)提升鋰離子電池的能量密度。只是當時(shí)納米硅碳負極技術(shù)完全不成熟，無(wú)法做到中試。

第一代電動(dòng)汽車(chē)電池的正極材料是錳酸鋰，它是由諾貝爾化學(xué)獎得主約翰·班尼斯特·古迪納夫于1983年發(fā)明的。1997年，古迪納夫團隊又發(fā)明了更加穩定安全的正極材料——磷酸鐵鋰，這是目前電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)大巴、電動(dòng)船舶等電動(dòng)交通工具使用的主流材料。

物理所在極其有限的科研條件下，研究了鋰離子電池正極材料的制備方法、基本特性和材料性能，不僅制備出正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰和三元正極材料，還對其進(jìn)行改性，使其具有自主知識產(chǎn)權。他們對磷酸鐵鋰進(jìn)行體相摻雜改性，讓工藝更簡(jiǎn)單、性能更好，并申請了發(fā)明專(zhuān)利，打破國外原始專(zhuān)利對磷酸鐵鋰材料的壟斷。

“第一代和第二代動(dòng)力電池由外國人先做出來(lái)，中國的鋰離子電池則首先從中國科學(xué)院誕生。在這個(gè)過(guò)程中，我們實(shí)現了從第一代的跟跑到第二代的并跑。”黃學(xué)杰和陳立泉在思索，“到了第三代，我們能不能趕超、領(lǐng)先?”

進(jìn)入21世紀，中國要力爭在鋰離子電池賽道上跑得更快一些。

向著(zhù)這個(gè)新目標發(fā)力，科學(xué)家需要敢于“下海”，也要舍得“上岸”。

2006年，蘇州星恒年銷(xiāo)電池兩萬(wàn)余套，達到收支平衡，同時(shí)產(chǎn)品銷(xiāo)往國際市場(chǎng)。“市場(chǎng)接受我們的產(chǎn)品了。”同年，黃學(xué)杰卸下蘇州星恒技術(shù)副總職務(wù)，返回北京，投身第三代電池的研發(fā)。

2009年，在一次討論會(huì )上，陳立泉作了《中國鋰電如何突圍》的報告，提出鋰電突圍取決于三個(gè)方面——對基礎研究的重視、政府和企業(yè)家的資金投入，以及正確的國家戰略。鋰電池生產(chǎn)商ATL(寧德時(shí)代前身)董事長(cháng)張毓捷聽(tīng)完，馬上與陳立泉擊掌盟誓，“實(shí)現中國鋰電突圍從ATL開(kāi)始!”2011年，全中資公司寧德時(shí)代橫空出世。

近10年來(lái)，在黨和國家的大力支持下，寧德時(shí)代等鋰電池生產(chǎn)企業(yè)與科技界通力合作，發(fā)揚“三千越甲可吞吳”的精神，使我國鋰電池實(shí)力迅速上升，產(chǎn)品競爭性極大增強。2014年，中國鋰離子電池的國際市場(chǎng)占有率已為世界第一。近些年，全球排名前十的鋰電企業(yè)中，中國企業(yè)有6家。

陳立泉和黃學(xué)杰團隊在第三代鋰離子電池的基礎研究上取得了系列突破，其中他們基于鎳錳尖晶石高電壓正極材料研發(fā)的鋰離子電池中試即將完成，能量密度比第二代的磷酸鐵鋰電池提升50%以上，量產(chǎn)后預期成本也明顯下降。

4 再次沖擊固態(tài)鋰電池

如今，中國已經(jīng)成為名副其實(shí)的電動(dòng)汽車(chē)大國，中國鋰離子電池產(chǎn)量和產(chǎn)能居全球第一。統計數據顯示，2022年，全球70%的鋰離子電池、99%的磷酸鐵鋰正極材料由中國企業(yè)生產(chǎn)。

中國鋰電池如何保持世界領(lǐng)先地位?陳立泉心中早有設想：必須發(fā)展固態(tài)鋰電池。“固態(tài)鋰電池依然是未來(lái)可再充電池技術(shù)的核心。抓住第一機會(huì )才能掌握主動(dòng)權。”這一20世紀70年代因各方條件不成熟而被擱置的理想，被陳立泉再次提及。他敏銳地察覺(jué)到，是時(shí)候再次向固態(tài)鋰電池發(fā)起沖擊了。

發(fā)展固態(tài)鋰電池，有其必然性。鋰離子電池的能量密度達到每公斤300瓦時(shí)已接近極限，燃燒與爆炸等安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，未來(lái)要想將能量密度提高到每公斤500瓦時(shí)，就必須發(fā)展固態(tài)鋰電池。由于固態(tài)鋰電池是用固態(tài)電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)，能夠避免燃燒和爆炸的危險，安全性大大提高。

陳立泉說(shuō)，放眼世界，美國寄希望于鋰硫、鋰空等下一代高比能二次鋰電池，同時(shí)希望在下一代鋰電池硅基負極和層狀多元過(guò)渡金屬氧化物材料領(lǐng)域取得突破;日本、韓國則在硫化物固體電解質(zhì)研究方面技術(shù)領(lǐng)先、知識產(chǎn)權積累深厚，在保持優(yōu)勢的同時(shí)不斷開(kāi)拓創(chuàng )新。

“下一代鋰電池應是全固態(tài)鋰電池。如果我們將全固態(tài)鋰電池技術(shù)攻克了，再去做鋰硫、鋰空電池，相關(guān)技術(shù)難題就會(huì )迎刃而解。”這一次，陳立泉更加自信。

5 固態(tài)鋰電“保持領(lǐng)先”

2013年，陳立泉提出中國固態(tài)鋰電池的發(fā)展愿景——爭取5年實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。

中國科學(xué)院過(guò)去數十年的研究和產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐，為這一愿景打下了堅實(shí)基礎。為了盡可能利用現有鋰離子電池的生產(chǎn)設備和技術(shù)工藝，陳立泉和團隊成員提出了“原位固態(tài)化”的方案：在現有的鋰離子電池電解液中增加添加劑，讓正負極表面的固體電解質(zhì)層變厚，直至液體電解質(zhì)完全變成固體。

2016年，物理所孵化的北京衛藍新能源公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)衛藍新能源)成立，使原位固態(tài)化技術(shù)實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化。2018年，能量密度每公斤300瓦時(shí)的固態(tài)電池進(jìn)行裝車(chē)試驗。2019年，衛藍新能源固態(tài)電池產(chǎn)品在能量密度、功率密度和安全性等方面均為世界第一。

愿景的實(shí)現需要攻堅克難，為此，物理所團隊持續奮斗著(zhù)。

2013年，中國科學(xué)院?jiǎn)?dòng)戰略性先導科技專(zhuān)項(A類(lèi))“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”，物理所研究員李泓擔任其中長(cháng)續航動(dòng)力鋰電池項目的首席科學(xué)家，納米硅負極材料得到了支持。2017年，溧陽(yáng)天目先導電池材料科技有限公司成立，納米硅負極材料在工程上加速發(fā)展，并最終實(shí)現了大規模量產(chǎn)，為我國鋰離子電池能量密度超過(guò)每公斤360瓦時(shí)作出了貢獻。

李泓解釋說(shuō)，與石墨材料相比，硅碳作為負極材料優(yōu)勢更佳，硅材料的理論質(zhì)量比容量最高可達每克4200毫安時(shí)，遠大于石墨的每克372毫安時(shí)，是目前已知負極材料中理論比容量最高的材料。

“可實(shí)用化的固態(tài)電解質(zhì)材料、固固界面問(wèn)題，以及使用固態(tài)電解質(zhì)材料后現有正負極材料能否在電池中發(fā)揮得更好，過(guò)去液態(tài)電解質(zhì)不能用的正負極材料是否有重新應用的機會(huì )，是否有新正負極材料更適應固態(tài)電解質(zhì)……這些都是需要廣泛深入研究的問(wèn)題。”李泓說(shuō)。

“我們在20世紀70年代想做的全固態(tài)鋰電池，今天應該可以‘復活’了。”黃學(xué)杰感到很欣慰，他們在做一件被事實(shí)證明越來(lái)越好的事情。“可能還需要10到15年的時(shí)間，全固態(tài)鋰電池會(huì )被越來(lái)越多的企業(yè)和用戶(hù)接受，這一代電池性能與安全性將會(huì )成倍提升。”

為了加快這一進(jìn)程，陳立泉呼吁，鋰電池企業(yè)應盡快與科研單位和原材料企業(yè)合作，解決應用新的電池材料及電池體系的科學(xué)技術(shù)和工程問(wèn)題，在短期內生產(chǎn)出高能量密度的合格電池產(chǎn)品。同時(shí)，要破除對國外裝備和技術(shù)的迷信，盡快用先進(jìn)國產(chǎn)設備“武裝”鋰電企業(yè)，增強我國鋰電產(chǎn)品的國際競爭力。“學(xué)術(shù)界、工程界、產(chǎn)業(yè)界聯(lián)手，基礎研究與應用研究緊密結合，加快研究成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。”

如今，當年的3人小組已經(jīng)發(fā)展成百人大團隊，固態(tài)離子學(xué)與能源材料課題組也成為物理所歷史上唯一成功“復活”的課題組。

盡管在所有儲能技術(shù)中，鋰離子電池能量轉換效率最高、綜合性能最好，但鋰資源供應存在挑戰。目前我國70%的鋰資源依賴(lài)進(jìn)口，供應鏈上存在風(fēng)險，且難以同時(shí)滿(mǎn)足交通、智能電網(wǎng)和可再生能源大規模儲能的需求。

“一旦在供應鏈上出現風(fēng)險，對我們損害極大，我們必須開(kāi)辟新賽道，開(kāi)發(fā)不受資源限制的電池體系。鈉離子電池是一個(gè)極佳選擇。”物理所清潔能源實(shí)驗室主任胡勇勝研究員告訴《中國科學(xué)報》。

中國科學(xué)院提前布局鈉離子電池基礎研究，在國家需要的時(shí)候能夠挺身而出，物理所團隊提出多種新型鈉離子電池正極材料(含銅基氧化物)和負極材料(煤基碳材料)。兩年時(shí)間里，國內首個(gè)鈉離子軟包電池和圓柱電池在物理所相繼誕生。

2017年，基于物理所核心正負極材料的知識產(chǎn)權，國內首家鈉離子電池企業(yè)中科海鈉應運而生。

2019年3月，世界首座100千瓦時(shí)鈉離子電池儲能電站在江蘇溧陽(yáng)誕生。2021年6月，研究團隊在山西太原推出全球首套兆瓦時(shí)鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統，并成功投入運行。2023年12月，團隊向南方電網(wǎng)交付十兆瓦時(shí)鈉離子電池用于儲能系統試制驗證和性能評估。

“我國鈉離子電池不論是在材料體系和電池綜合性能等技術(shù)研發(fā)方面，還是在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度、示范應用以及標準制定等方面均處于國際前列，已具備先發(fā)優(yōu)勢。”胡勇勝說(shuō)。

如今，距離最初陳立泉開(kāi)啟電動(dòng)汽車(chē)電池材料研究已過(guò)去近半個(gè)世紀。幾十年來(lái)，材料更新、技術(shù)迭代，物理所打造了一個(gè)又一個(gè)電池新高地。唯一不變的，是一代代科研人員勇攀高峰、敢為人先、淡泊名利、潛心研究的精神血脈。

在一次電動(dòng)汽車(chē)論壇上，陳立泉再次描述了他對電池未來(lái)發(fā)展的期望：“固態(tài)電池大干快上，引領(lǐng)電動(dòng)中國;鈉離子電池并駕齊驅?zhuān)颇茉椿ヂ?lián)。”

2024年新年前夕，國家主席習近平通過(guò)中央廣播電視總臺和互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)表了二〇二四年新年賀詞。其中提到，新能源汽車(chē)、鋰電池、光伏產(chǎn)品給中國制造增添了新亮色。中國以自強不息的精神奮力攀登，到處都是日新月異的創(chuàng )造。

中國的鋰電池正突破重圍、勢不可擋。