北京理工大學吳鋒:以創新對抗熵增,發展新型綠色智能二次電池

2020年9月27-30日，第二屆世界新能源汽車大會在海南省海口召開，本次大會以「共克時艱、跨界協同、合作共贏」為主題，為進一步加強國際交流與合作，加速突破新能源汽車市場化障礙，加快推進「電動化、智能化、共享化」融合發展，由中國科協、海南省人民政府、科學技術部、工業和信息化部、國家市場監督管理總局共同舉辦。其中，在9月29日上午舉辦的「新能源汽車技術創新與跨界協同」全體大會上，北京理工大學教授、中國工程院院士吳鋒發表精彩演講。

其主要內容與觀點如下：

1.二次電池是當前國際研發熱點，國際動力電池市場競爭激烈，面臨「洗牌」危機；中國動力電池總體產能過剩，優質產能不足。

2.團隊創建二次電池新體系，採用輕元素、多電子、多離子反應體系實現電池能量密度跨越式提升，打破了單電子反應(n=1)的思維定式，研製出能量密度為651 Wh/kg的鋰硫電池。

3.團隊發展了新一代動力電池的共性技術，包括：陰陽離子協同電荷補償機制與相關材料技術、電池安全技術、長壽命柔性電池技術、反應界面構建與調控技術、電池回收技術、低成本電池材料與技術。

4.未來動力電池的主要發展方向為：使電池系統壽命接近單體壽命；實現電池系統從模擬到數字的創新；發展智能電池，研發自主供電傳感器系統和半導體化的電池單體。

5.新型二次電池面臨新的挑戰，企業要對抗熵增，實現超越，須做出顛覆性創新，瞄準市場形成產業鏈，才能長盛不衰。隨著核心技術的不斷突破，新型綠色智能二次電池將迎來更加美好的明天。

以下內容為現場演講實錄：

尊敬的萬鋼主席，尊敬的陳清泰理事長，尊敬的各位領導，各位來賓，大家上午好！我今天是第一個發言，屬於拋磚引玉。

我要講的主題是：動力電池及其關鍵材料的研究與展望。大家知道二次電池是當前國際競相研發的熱點，已成為新一代信息通訊、電動汽車、儲能電站與能源網際網路等重大應用的關鍵環節。2013年美國麥肯錫全球研究所提出的12項改變世界的顛覆性技術報告中，就有4項與其相關。在國家相關的規劃當中都明確提出了重點支持動力電池關鍵材料、電芯系統等技術研發，並將提升電池能量密度作為關鍵指標。昨天一些專家的報告裡也講了，實際上電動汽車從發明到現在100多年了，它當時衰落的主要原因之一就是，它的續航裡程很難和燃油車相比，當時用鉛酸電池只能跑不到100公裡。

大家知道2019年諾貝爾化學獎授予了鋰離子電池，當時的獲獎詞是「重量輕，可充電的鋰電池現在被用於到手機、筆記本電腦、電動汽車等等領域。它還可以儲存大量來自太陽能和風能的能量，使一個無化石燃料的社會成為可能——創造了一個可充電的世界。」鋰離子電池問世以後，特別是將它用於電動汽車以後，對於電動汽車的發展無疑起到了一個很重要的作用。

請看屏幕上這張照片，中間這個是美國的海姆教授，也就是2019年諾貝爾化學獎的獲得者。每次開中美的會議他都參加，這張照片是我的博士生和他一起照的，我們覺得現在離諾貝爾獎越來越近了。

當然大家也知道動力電池競爭激烈，面臨著「洗牌」危機。2019年全球動力鋰離子電池裝機量為112.6 GWh，目前日韓動力電池企業裝機量是50.4 GWh，佔比44.8%；中國動力電池企業裝機量是62.2 GWh，佔比52.2%。值得注意的是，在中國的62.2 GWh中，前十家企業的裝機量就達到了54.65 GWh，只剩下7 GWh由另外幾百家企業在競爭。所以中國的動力電池是總體產能過剩，優質產能不足。為了使電池能夠更好滿足於新能源汽車的要求，我們需要創建二次電池的新體系。

我們的團隊連續三期主持國家「973」項目，從2002年開始到2019年12月結題，進行了17年的研究。這期間，我們團隊率先提出採用輕元素、多電子、多離子反應體系實現電池能量密度跨越式提升的學術思想，打破了單電子反應(n=1)的思維定式。我們在2002年提出多電子反應，當時提的能量密度指標是300 Wh/kg，當然這是研究指標，不是產業化指標。可是當時美國和日本的USABC和陽光計劃裡面的能量密度指標分別是150和200 Wh/kg，當然我們的指標是基於多電子的新體系上建立的。到了第二期「973」項目，我們推出輕元素多電子反應，能量密度就達到了350 Wh/kg。第三期是輕元素多電子多離子反應，我們現在所做的新電池能量密度已經達到了651 Wh/kg。

屏幕上顯示的是一個多電子高比能鋰硫電池。硫的來源很廣泛，硫黃如果作為原料的話就很便宜。但是這裡面有很多問題，包括穿梭效應等，所以我們在這引入氧化還原介質概念，提升界面反應動力學特性；引入沉積骨架概念，捕獲多硫離子，沉積再利用。關鍵是要通過隔膜正極側界面的設計提高活性物質的循環穩定性，因為穿梭效應影響了它的循環穩定性。在負極側是金屬鋰，容易產生安全問題。所以我們設計了隔膜負極側人工層，用來穩定金屬鋰的界面。在電池研究中，「界面」問題是大家越來越關注的問題，包括以後的固態電池也同樣存在界面問題。結合剛才說的硫正極、功能隔膜、金屬鋰的修飾技術，構建了高比能鋰硫電池體系，這是一個兩電子的體系。

我們採用模塊組裝模式構築微米級的超結構，研製出能量密度為651 Wh/kg的鋰硫電池，並通過第三方檢測。我想說的是，現在鋰硫電池的安全性大家都十分關注，這就有待於電池來解決安全性問題。解決方案第一是把它固態化；第二是提升它現在還不夠高的體積能量密度，這個要通過在負極對金屬修飾來進行改進，現在也已經有比較大幅度的提升；第三是循環壽命，現在我們也都在採取一些新的方法。現在鋰硫電池也是美國以及其他各國關注的一個電池體系，它現在已經用在了無人機上，但是對於電動汽車我覺得還有很多工作需要做，但是路是可以走通的，後面還有很多問題需要解決。

我們團隊發展了新一代動力電池的共性技術，這裡主要是指新一代鋰離子電池，包括下面六個方面。

第一方面是陰陽離子協同電荷補償機制與相關材料技術。原來我們講鋰離子電池是單電的反應，我們通過在正極側引入多元元素，特別是負離母極的鑄件，通過原位的拉曼光譜可以看到氧參與了其中，所以鋰離子電池已經由單原子反應向多原子反應過渡。過去日本的鋰離子電池極限能量密度可以達到250 Wh/kg，現在我們許多企業都已經做到了300 Wh/kg，有一些單位還做到了400 Wh/kg，就是因為這裡面反應機制變了。正極材料能量由於它的多電子反應，現在能量密度也可以達到300或400 Wh/kg，這個是容量，所以電池極限能量密度能夠達到350—400 Wh/kg。

第二方面是電池安全技術。昨天很多人都提到關注安全技術，一些專家也講到安全技術是下一步發展動力電池的一個前提，所以安全技術當然很多就落在電池頭上，一有安全就是電池爆炸起火。我們這17年來圍繞安全問題做了很多工作，我們發展了三種具有智能識別功能的安全型電極材料和不燃或者難燃的電解液，並且建立了電壓敏感隔膜，就是提高電池本徵安全性的機制。另外我們還提出了建立電池系統安全閾值邊界控制與識別的方法，在這個基礎上衍生出電池系統的安全度評價模型，與實時監控的體系，為解決動力電池規模應用提供了技術支持。

第三方面是長壽命柔性電池技術。我們通過低應變電極材料構建柔性的反應界面，設計有效的分形電極結構，基於表面修飾的對稱型電池，循環壽命達到25000次。

第四方面是反應界面構建與調控技術。因為現在很多人對快充提出了要求，所以我們也發展了兼具能量密度的高功率電池新體系，通過電極表面的結構和界面功能調控，提升了功率特性；通過電極過程的活化調控，建立了兼具能量密度、高功率電池新體系；通過單位點活化、雙位點耦合、雙功能催化、增強吸附，實現了複合材料電池的功率密度3000 W/kg，同時能量密度達到122 Wh/kg。

第五方面是電池的回收技術。隨著電池用量的不斷增大，特別是以後儲能電池用量急劇增加，在電池回收方面過去一直是採用有機的體系，就是天然有機酸，而不用傳統的這種硝酸、鹽酸，這樣避免了在再生過程中的二次汙染。天然有機酸的浸出率不低於傳統的硝酸鹽酸，硝酸就是一價鹽酸，天然有機酸實際上不是一價的，是多價的，所以它的浸出率是高於鹽酸的。

第六方面是低成本電池材料與技術。大家現在對成本也非常敏感，現在大家都在加緊研究的是鈉離子電池，我們提出的是鈉離子電池在富鈉材料中，同樣看到了氧的參與。實際上鈉離子電池也有可能成為一個多電子體系，這樣的話它的能量密度就有提升的空間。我想如果把鈉離子電池做成水性的電池，而且成本低於每瓦時3毛錢的話，它將有一個非常廣泛的發展空間。

關於未來的技術展望，一共有三方面。

第一個展望就是如何將電池系統壽命做到接近單體壽命？現在鋰離子電池不斷更新換代，下一步的電池到底是什麼？當然我們可能在電池材料體系方面還會做一個很大的更新，在電池的製備體系還會做一個很大的改變。過去萬主席常對我說，你們這個能不能變一變。我們也一直在想，一直沒敢懈怠。我們新能源汽車將成為能源網際網路的一個核心單元，電池作為其中一個關鍵電化學能源轉換和存儲的器件，從發明200多年以來，一直採用固定並串聯的系統組成方式，放大了電池單體的差異性和非線性。由於它固定的串並聯使它的差異性變大，造成電池系統的短板效應，進而造成效率、成本、可靠性和安全性等應用問題。目前電池系統循環壽命遠低於單體的循環壽命，如何從根本上克服短板效應，將系統壽命做到接近單體壽命。

第二個展望就是電池系統從模擬到數字的創新。目前的電力電子器件已經可以在納秒級離散化一個數百安，上千伏的能量流，進而採用數位訊號處理的手段對離散化數位化的能量流進行信息化處理，消除能量產生和使用中的不確定性和非線性。就電池系統而言，可以將電池單體容量首先進行「格式化」，使其成為一組「能量片」，通過採用信息系統與能源系統深度融合的能源網際網路模式，數字儲能技術將網際網路屏蔽終端差異性的技術引入到電池系統，將傳統的剛性串並聯連接轉變為程序控制的柔性連接，從而消除電池單體之間的差異性，實現電池系統從模擬到數字的創新。

第三個展望是智能電池的應運而生。大家昨天講現在都在走向數位化，我想電池也是如此。所以在能量信息深度融合的大背景下，電池行業將會有以下的發展趨勢。一個是5G時代需要大量的自主供電傳感器系統，另外一個就是電池單體的趨勢是半導體化。如果固態電池和電容可以採用半導體工藝製備，得到的DRAM的電池晶片，這將極大的提升終端的供電能力支持半導體工藝，即儲能器件的半導體化。電池單體在生產過程中將與信息系統緊密耦合形成數字電池即智能電池，類比於磁碟到硬碟的變革，將開啟二次電池數位化的新的飛躍。

我們的「973」項目團隊包括北京理工大學、中科院物理所、武漢大學、廈門大學、清華大學、南開大學、吉林大學等。

能源革命悄然臨近，我們已經身處其中，光伏、風電、儲能、新能源汽車等分布式能源的發展，將極大地改變全球能源的生產、傳輸和消費方式，將會大範圍改變人類生活甚至地緣政治格局。

新型二次電池作為能源轉化與存儲的重要環節，面臨著重要的挑戰，要從基礎研究和新材料、新技術、新工藝入手，特別要注意具有顛覆性的創新，做到人無我有，並形成產業鏈，瞄準市場才能使企業長盛不衰。然而創新不是炒作，不能急功近利，否則就會是曇花一現，產業取決於市場，不能拔苗助長，否則就會是過眼雲煙。吳國頓說「如果物理學只能留一條定律我會留熵增定律」，愛丁頓說「熵增原則是自然界所有定律中至高無上的」，薛丁格說「人活著就是在對抗熵增定律，生命以負熵為生」。今天的人、企業和社會也是如此，如何對抗熵增，實現超越？需要系統開放、智能化和有外力做功的清潔能源，隨著核心技術的不斷突破，新型綠色智能二次電池將伴隨我們迎來更加美好的明天。

謝謝大家。

（註：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱）