2020世界新能源汽车大会 | 张久俊院士：布局500Wh/kg动力电池 关键在于锂硫、锂空气与固态电池

关于电化学电池我简单地跟大家分享一下，电化学电池包括很多，比如说液流电池、锂硫电池等，这都是电力化学的技术。电化学电池有哪些标准？最高能量、功率密度的汽车是燃油车，与燃油车相比，电池地能量密度、功率密度还相差很远。五个大标准衡量电池，首先是能量密度，当然是越高越好，能量越好续航能力越长；二是功率密度，功率密度是电池多长时间内完成充放；三是循环寿命；四是价格，价格越低越好，再好的电池如果太贵了没有人买；五是安全性，电池一定要安全，如果不安全肯定不能用于产业化。

这个表是根据能量密度、功率密度列出的电池，包括锂硫电池等，他们的循环寿命、价格等在这里面可根据不同的应用、要求选择电池。虽然液体电池还没有产业化，比如说锂硫电池、锂空气电池还没有产业化，但都是发展方向。

重点讲一下锂离子的发展，今天全球锂离子的发展尤其是技术上的状态。锂离子的应用范围很广，比如说汽车领域的应用，在电网领域的应用，在家用电器应用，比如说手机的应用，在航天工业、军事领域都有应用。首先是汽车里面的锂离子，锂离子有很大的优势是能量密度和工业度很高，但是也有缺陷，循环寿命还不是这么高。另外是安全性也值得关注，安全性是最重要的，安全第一。在这方面，我们以往做了很多工作，尤其在锂硫电池的电极材料上做了很多工作，发展了一些纳米材料。第二个锂电池类型是锂硫电池，锂硫电池的能量密度很高，锂硫容量可以达到500一600Wh/kg，目前可达到300Wh/kg，也有很大的优势，就是能量密度高，又便宜，劣势是目前的发展还没有达到好的循环寿命，安全性也值得关注。

第三类是锂空气电池，锂空气电池的最大优势是锂能量密度更高，几乎是锂离子电池的10倍还多，但是，目前还在发展的过程中，就是因为它的循环寿命不够，但这是一个很重要的发展方向。锂空气电池方面我们也做了一些工作，发展电极材料、纳米材料，做锂空气氢空气的电池。目前，世界上对锂电池主要的现状是什么呢？我这个表里列出了世界上最好的性能，不同的公司，包括世界上有名的公司以及中国有名的公司，他们使用的电池型号、能量密度可以看到，现在最好的能量密度可以达到300瓦时/公斤。其他公司也都发展，当然取决于电池用的不同的材料。

锂离子电池在汽车领域的应用，目前我们强调的是续航里程，续航里程达到400公里，但是到2030年就要达到700公里，这样就需要电池的能量密度大约是350Wh/kg，体积能量密度要达到1000Wh/kg。

这个表里列出了2020年1一6月份世界有名的电池公司发货的数量，以及电池的能量密度，可以看到，特斯拉model的能量密度达到260Wh/kg，整个电池的系统能量密度也可以达到167 Wh/kg，其他的公司也比较接近这个数，整个电池体系能量密度大约在150Wh/kg的状态。

在哪些方面需要提高锂离子？有10个方面，我在这里给大家看一下雷达图，雷达图外面的绿线是要达到的目标，红线是目前的状态，相差还有很大的差距。能量密度是最重要的一个参数，它就是一个标杆锂电池进展到深入程度。这是中科院李红教授的一个图，我拿来跟大家分享一下，这个图表明了我们随着年份的增加，能量密度提高的分量，2020年最好可以达到400Wh/kg的状态，2030年要求能量密度达到500Wh/kg。这样的发展方向是很高的指标，需要在这方面花大力气。

我们在提高能量密度的同时还要注意循环寿命，这个图里表明了电池能量密度越高寿命越短，能量密度越低寿命越长，这是我们发展提高能量密度的同时，一定要注意循环寿命也是非常大的参数。尤其是锂离子电池目前面临哪些问题呢，第一列是主要的问题，第二列是这些问题造成的电池性能衰减问题，在这个过程中也有进一步提高的措施，也有方法。后面的不跟大家仔细的分享了。目前我们发展的方向是全固态锂离子，我的PPT里列出的是材料系统、方法，锂离子主要在四个方面发力，一是发展氧化物的电解质，二是发展硫化物的电解质，三是聚合物的电解质，四是固态电解质之间的界面问题，兼容性和稳定性。

目前，锂电池发展的状态是什么样的呢？我在左边列出了世界上有名的公司做的电池，这个表列出的是他们目前做的情况，大家都在积极的做这方面的工作，这是一个非常大的方向。我们发展锂离子，进一步的从业态锂离子发展到固态锂离子，在电池类型方面有三个方向发力，第一个是锂离子电池，第二个是锂硫电池，第三个是锂空气电池。

锂硫电池为什么目前还没有产业化，主要是存在四个问题，第一个是硫的产业性很低；第二个是充分裂的过程中体积造成了循环寿命的减少；第三是安全，因为用的是锂金属阳极安全性也是值得考虑；第四是硫还原了以后要溶解，产生了相同的效应，这也是一个很大的问题。所以，就是这四个问题造成还不能大范围的应用。

对于锂空气电池存在四个方面的问题，一是锂空气电池在空气上，氧的还原和氧的溢出，目前还没有发展出非常好的双功能催化剂，无论是活性还是稳定性都没有达到效果。二是现在有好一些的是贵金属铂金，但是，催化剂的价格很高，对于大规模的产业化不利。三是锂空气电池反应过程中生成的氧沉积物会把电极堵死，阻止进一步的反应。四是电解质对少量的微分水量很敏感。锂空气方面有四个方面继续努力，一是发展空气锂电池。二是大力发展双功能催化剂，在活性和稳定性上下工夫，主要是对氧的溢出和阳还原的两种反应。三是发展过滤模。四是发展固态的电解质，以及混合的电解质，使得锂空气电池的寿命进一步提高。

总结几个方面：首先，使用燃油车是一种不可持续的方式，主要是燃油车排放中大量的二氧化碳等有害气体对环境造成污染，使人类的生存造成威胁性。这样就要发展新能源无污染的汽车解决这样的问题，增加可持续性。在发展新能源汽车的状态下，目前主要是发展液态和锂电池，燃料电池也是一个方面，锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池要继续的发展，目前从液态逐步的过渡到固态，这样才能达到能量密度的目标500Wh/kg。目前，怎么达到500Wh/kg的目标，还需要进一步的增加能量密度、功率密度和寿命，这三项仍然是研究的热点，当然，电池的价格也需要安全。还有一个是安全性，锂电池的安全性也担心，尤其是三元体系的安全性有问题，怎样提高安全性，因此安全第一。还有一个强调的方面是，目前正在发展的概念状态，像锂二氧化碳电池以及无阳极的锂电池，目前这两个方面概念非常新，在这面要下力气，尤其是可使用性方面下力气，达到大于500Wh/kg的目标。

这个PPT是我、我的博士后以及我的同事过去发表的编著的英文书，这套书大家感兴趣的可以上网查一下。

上海大学目前正在发展锂电池，这个照片是我们锂电池中心的老师和研究生，他们在这方面做了很多的工作，感谢他们。

谢谢大家听我的报告，如果有问题可以联系我，我们继续讨论，感谢大家