中國(guó)工程院院士陳立泉在《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》演講時(shí)指出,中國(guó)鋰
電池研究并不晚,幾乎和世界同步。1995年,第一塊鋰
電池在中科院物理所誕生了,已達(dá)到世界先進(jìn)水平。現(xiàn)在,中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量已穩(wěn)居世界第一。
中國(guó)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(guó)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(guó)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(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)所里打報(bào)告,我說我要改行,從晶體生長(zhǎng)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�;貒�(guó)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(guó)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(shí),如果投資的單位是把技術(shù)變成錢。怎么想辦法能把知識(shí)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?cè)?ldquo;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(duì)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?cè)趯?shí)驗(yàn)室怎么樣從知識(shí)變成了技術(shù),走出了這一步。
陳立泉院士指出,目前我國(guó)鋰電池技術(shù)發(fā)展不錯(cuò),這是學(xué)術(shù)界、工程界和產(chǎn)業(yè)界的合作,是研究院所和大學(xué)的通力合作,是高度的重視原始創(chuàng)新、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究緊密結(jié)合,加快研究成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的結(jié)果。
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(guó)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(duì),可以說鋰離子電池是日本人先產(chǎn)業(yè)化的,這句話是對(duì)的。
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(chǎng)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(guó)人跟中國(guó)人是往上走的,到2014年我們中國(guó)的動(dòng)力電池、鋰電市場(chǎng)份額已經(jīng)超過了日本跟韓國(guó),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(duì)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(guó)來收鋰離子正極材料知識(shí)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(rùn)可能也不到5萬,他們就到海淀知識(shí)法庭把我們告了,后來中國(guó)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?cè)僖矝]有提要收專利費(fèi)的問題�?吹贸鰜恚皇俏覀兊脑瓌�(chuàng)材料,但是我們做了工作,我們也申請(qǐng)了我們的專利,對(duì)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(jí),它的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率都挺好。所以法國(guó)和德國(guó)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(guó)外的原始專利對(duì)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(guó)外知識(shí)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,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(qǐng)了天然石墨做鋰離子電池負(fù)極的專利。兩年前,它申請(qǐng)了國(guó)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(shí)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(qǐng)了第一個(gè)專利。所以國(guó)際上第一個(gè)硅作負(fù)極的專利是我們申請(qǐng)的,這個(gè)是美國(guó)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(chǎng)。
我們現(xiàn)在的原材料基本上是已經(jīng)國(guó)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(guó)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)。
自從發(fā)現(xiàn)了電以后,人類就一直在想方設(shè)法把電儲(chǔ)存起來,于是有了電池,而科技的進(jìn)步,讓電池的蓄電能力越來越強(qiáng)。隨著鋰電池、太陽能電池等新型動(dòng)力電池的問世,電池技術(shù)已今非昔比。盡管現(xiàn)在鋰離子電池的應(yīng)用占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì),但是有不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在探索電池產(chǎn)品新的未來,鈉離子電池、氫氧燃料電池、固態(tài)電池等等新概念電池紛紛進(jìn)入大眾視野,那么,誰才是未來的終極電池?
中國(guó)工程院院士陳立泉指出,發(fā)展固態(tài)電池,一定要有屬于中國(guó)自己的創(chuàng)新,這樣才能為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)中國(guó)的夢(mèng)想奠定基礎(chǔ)。像鈉離子電池、鋁離子電池、鎂離子電池、鋅離子電池的研究現(xiàn)在都應(yīng)該做,只要我們能夠抓住時(shí)機(jī)不放棄,是有機(jī)會(huì)走到世界前頭的。
現(xiàn)在的鋰離子電池是液體電解質(zhì),那么能量密度已經(jīng)基本上到了極限,大概300瓦時(shí)每公斤或者350瓦時(shí)每公斤,已經(jīng)到了極限。那么安全性問題時(shí)有發(fā)生,由于它一個(gè)能量密度有限,一個(gè)安全事故會(huì)發(fā)生,所以這樣我們要考慮固態(tài)電池。
固態(tài)電池它是什么呢?現(xiàn)在我們用的是鋰離子電池,更全面一點(diǎn)包括像鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池這些都是液態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池可以做得跟鋰離子電池一樣,只不過把電解液換成是固態(tài)。它是固態(tài),就是里頭不含液態(tài)或者液態(tài)含的很少。固態(tài)電池實(shí)際上不是一個(gè)新的東西,“六五”計(jì)劃、“七五”計(jì)劃我們就將固態(tài)電池列入重點(diǎn)課題,那么科技部也是第一個(gè)把固態(tài)電池這個(gè)課題列為重大項(xiàng)目。固態(tài)電池的關(guān)鍵就是要研究固體電解質(zhì)材料,固態(tài)電池它的負(fù)極是用金屬鋰。中間這個(gè)電解質(zhì)是固體,固體電解質(zhì)不是液體,那么正極可以用不含鋰的正極材料,也可以用現(xiàn)有的這種正極材料。如果說能夠找出來不含鋰的正極材料,或者說容量更高的,我們就可以做出能量密度更高的固態(tài)電池,那么它的能量密度就可以大于每公斤500瓦時(shí),那么它安全事故可以大大減小。
實(shí)際上固態(tài)電池不是說沒有短路的那一天,如果固態(tài)電池有短路那一天它會(huì)不會(huì)燃燒?金屬鋰在空氣里頭可能起某種反應(yīng),但是它的量比較小,它不會(huì)爆炸,所以安全性應(yīng)該說是比現(xiàn)在的鋰離子電池應(yīng)該要安全。
固態(tài)電解質(zhì)基本上我們中國(guó)人沒有原始創(chuàng)新,比較少。既然要發(fā)展固態(tài)電池,一定要有我們的創(chuàng)新。常見的聚合物的材料就這么幾種,PEO (聚環(huán)氧乙烷)、PP0(聚環(huán)氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈),它們的室溫離子電導(dǎo)率都比較低。最近青島能源所崔光磊做了一些新的工作,他可以室溫下做到10的負(fù)4次方西門子每厘米,他的電池也用上了,所以應(yīng)該說有新的進(jìn)展。米歇爾·阿芒德聽到崔光磊的報(bào)告以后,第二天就給我發(fā)個(gè)E—MAIL,說看來中國(guó)人再一次走到了世界的前列。最近新引進(jìn)的一位王雪峰博士,物理所把他引回來了,他把鋰離子電池和鋰氧電池混起來,他是用什么?用硫化鉬作正極,二硫化鉬它可以插鋰進(jìn)去,也可以插氧進(jìn)去,形成一個(gè)新的化合物�;炱饋硪院�,它容量是相當(dāng)高的。這個(gè)工作我們?cè)谖锢硭采暾?qǐng)了專利,所以這是新的一些思路,將來會(huì)對(duì)固態(tài)電池起作用。
所以我希望通過固態(tài)電池的發(fā)展來使我們國(guó)家能從跟跑、并跑一直到領(lǐng)跑。能夠使世界市場(chǎng)占有率第一位的位置我們能夠保持。要保持這個(gè)第一位地位的位置,我想對(duì)目前的鋰離子電池的工作我們不能放松,就是有很多創(chuàng)新的工作、創(chuàng)新的成果我們要往產(chǎn)業(yè)化走。
日本人Kanno(菅野)我很佩服他,他一直堅(jiān)持固體電解質(zhì)一直沒放,我覺得日本的這一點(diǎn)我們是值得學(xué)習(xí)的。我們的固態(tài)電池研究工作從鋰離子電池開始就基本上都放掉了、停掉了,但是現(xiàn)在,只是現(xiàn)在我們又回過頭來重新去做。我覺得重新去做也不晚,我們還可以,實(shí)際上還可以趕得上,從目前的趨勢(shì)來看我們還是有優(yōu)勢(shì)。所以鋰電池的工作,無論是鋰電池也好、固態(tài)電池也好、還是液體電解質(zhì)電池都是應(yīng)該是有很多工作要鼓勵(lì)創(chuàng)新的。除了這個(gè)以外,其他電池一定要做,比方說鈉離子電池,你別看現(xiàn)在大家做鋰離子電池都是信心滿滿,但是全世界開的車都用鋰離子電池的話,實(shí)際上鋰是不夠的。昨天米歇爾·阿芒德也給了一個(gè)數(shù)據(jù),就是說全世界10%的電動(dòng)汽車都用電池來開的話,它大概需要多少電池 ?60多億噸還是多少,量是相當(dāng)大的。這樣的情況下,一定要發(fā)展像鈉離子電池這一類資源比較豐富的電池。另外鋁離子電池、鎂離子電池或者是鋅離子電池這些實(shí)際上也應(yīng)該做的,特別是有些工作是我們有優(yōu)勢(shì),是我們?cè)谙鹊摹?/div>
鈉離子電池是我們有優(yōu)勢(shì),第一輛低速
電動(dòng)車是我們演示的,第一個(gè)100千瓦的電站是我們演示的,然后就像鋅離子電池的專利,人家也承認(rèn)是中國(guó)的首先的專利�,F(xiàn)在我們正在做鋰的或者鎂的固態(tài)電池,我覺得這些東西的話大家都是從頭做起,我覺得是我們只要抓住時(shí)機(jī)能夠不放棄,應(yīng)該說是有機(jī)會(huì)走到世界前頭的。
氫氧燃料電池不是電池,它實(shí)際上是個(gè)發(fā)電裝置。就是說你有了氫了,我通過它加上氧我可以發(fā)電、產(chǎn)生電,它是個(gè)發(fā)電裝置,不是電池。但是氫氧燃料電池我們一定要研究。氫它沒有礦,它不像鋰,鋰有鋰礦。中國(guó)的這個(gè)鋰的資源雖然是沒有南美洲那么多,但是我們還算是鋰資源比較豐富的國(guó)家,但是氫你沒有。你將來氫從哪兒來?有人說你電解水制氫呢?那當(dāng)然是可以電解水制氫,大家都可以電解水制氫,但是電解水制氫要什么?要電。你有了電,以電解水制氫,然后氫你再把它裝瓶也好,把它液化,最后你再把氫又用氫氧燃料電池去發(fā)電。就是說開始是電,最后還是電,你都是用這電去開車。
如果說能夠解決太陽能光解水制氫這個(gè)問題,那么將來我們氫氧燃料電池的確是大有希望。氫氧燃料電池我們要研究,但是要大發(fā)展,就是說它要去取代鋰離子電池的這個(gè)地位,不是近期的事情。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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