艾新平教授：下一代动力电池关键材料与技术

中国电动汽车百人会在上海安亭举办了产业培训（华东班）第一期课程，本期主题是「电动汽车核心技术突破与创新」，中科院物理所研究员黄学杰、武汉大学教授艾新平、华霆动力总经理周鹏、上海电驱动副总经理张舟云、精进电动创始人余平、上汽捷新动力电池系统有限公司副总工程师朱玉龙、新能源汽车动力系统专家王英、华域汽车电动宋玉环等学者专家以及企业代表对动力电池核心技术及发展趋势、先进驱动技术发展及实践成果做了详细深入地讲解。

艾新平教授，武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师。湖北省化学电源材料与技术重点实验室主任，科技部《新能源汽车专项》指南专家和总体专家组动力电池责任专家。主要研究领域包括：锂离子电池、钠离子电池、锂-硫电池，以及电池安全性技术。先后主持国家 973 项目课题、国家 863 项目以及国家自然科学基金项目 10 余项，发表学术论文 100 余篇，曾获国家技术发明二等奖一项，省部级科技成果奖两项。

以下是艾新平教授的发言内容：

在分析动力电池的技术发展路线之前，首先讨论一下电池比能量对电动汽车发展的影响。

电池比能量是决定车续航里程的重要因素，因此决定了驾驶的便利性，对于电动汽车的市场接受度具有重要影响。当然像特斯拉那样，通过增加电池装载量也可以实现续航里程的大幅度提高，但这种做法我本人并不赞同。

这里有一个简单的计算：对于能量密度只有 120 瓦时/公斤的电池系统来说，如果我们将车的续航里程设计为 150 公里的话，电池总重只有 100 多公斤，电池成本按照目前价格也就 2 万多元；但是如果我们非要将车续航里程设计为 300 公里，整个电池系统的重量就变成了 340 公斤。对于一个经济性的轿车来说，800 公里的自重对 300 多公斤的电池，我想这个电池重量还是过重了。

再来看看能耗，由于大多数时候人们并不需要用到这么多电池，这就是为什么特斯拉在新加坡不被人们接受并遭到罚款的原因，因为这种车并不环保，增加能耗也是增加了排放。

此外，过多电池还会造成整车成本的翻倍。假设按照我们现在的规划，2020 年电池系统能够达到 200 瓦时/公斤，单体达到 300 瓦时/公斤以上，那么将车续航里程设计为 300 公里就是很正常的一个配置。但是，如果说基于 200 瓦时/公斤电池包非要将车设计到 500 公里，那么能耗也会增加 17% 左右，整车电池成本也会成番的增加。

因此，不考虑电池的能量密度，盲目的通过增加电池重量来增大续航里程，会导致能耗的增加，载人空间和可载重量的减少，整车成本的大幅度增加，实际上是不利于电动汽车发展的。动力电池的总体发展方向，还是应该在满足安全性、寿命等指标的情况下，大幅提高能量密度。其实能量密度的提高也会带来成本的大幅度降低，因为对于制造同一个大小的电池来说，电池瓦时数高了，每瓦时的制造成本就会降低。

我这里给出了一个对应关系，如果单体的能量密度达到 300 瓦时/公斤，续航里程设计到 300 km 比较合理，400 就对应 400 续航里程；如果哪一天电池单体做到 500 瓦时/公斤，我们设计续航里程 500 km 的车也就比较合理了。

如何实现电池比能量的提高呢？近期的目标是高镍三元正极、硅碳负极实现 300 瓦时/公斤；中期（2025年）目标是基于富锂锰基/高容量 Si-C 负极，实现单体 400 瓦时/公斤；远期是开发锂硫、锂空电池，实现单体比能量 500 瓦时/公斤。

这个路线可不可行？从目前的技术条件来看，除安全性还不太确定外，在 2020 年电池比能量达到 300 瓦时/公斤是没有任何技术风险的。

根据计算结果，400 瓦时/公斤电池要求正极容量达到 250 毫安时/克，负极容量达到 800 毫安时/克，这个要求也都有明确的材料体系相对应，比如富锂锰基可以达到 250、280 甚至 300 毫安时/克的容量，硅碳达到 800 也没问题。所以，大家普遍认为的近中期技术路线总体上是可行的。远期目标中，理论上锂硫、锂空达到比能量指标没有任何问题，比如锂硫的理论比能量为 2600 瓦时/公斤，锂空气在不考虑空气质量的情况下，理论比能量可以达到 11000 瓦时/公斤，与汽油接近。如果我们只实现理论能量密度的 20%，也可以达到 500-600Wh/kg，这就是为什么大家都将锂硫、锂空作为未来开发重点的原因。

这两个体系到底可不可行呢？现在就车用动力电池领域来分析一下：如锂空，是采用金属锂作为负极、空气中的氧作为正极的一种电池体系，当然氧电极需要多孔碳作为反应载体。通过这么多年的发展，应该说在催化剂的选择、机理研究、电解液选择、可充性等方面已经取得了很大的进展，但是无论怎么进展，我觉得作为一个应用产品，我们必须要面对以下几个问题：

第一，它是一个开放体系，这是和锂离子电池不一样的，锂空要用空气中的氧，而空气中含有水，锂会与水反应，既要透氧又要防水，这是一个很难解决的问题。锌空电池为什么没有得到成功发展就是因为这个问题。90 年代我们做了很多工作，包括开了一个小公司要将锌空电池产业化，但夭折了，遇到大的问题就是水的控制。锌空电池采用碱液为电解液，如果像上海这几天空气这么高的湿度，碱液就吸水，电池会「湮死」；如果在新疆这种比较干旱的环境，碱液就失水，电池就「干死」。这个问题一直没有很好的解决办法，现在锂空也遇到同样的问题。

第二个问题是氧的催化还原。氧的反应速度是非常慢，要提高氧的反应活性必须采用高效的催化剂，现在的催化剂都是贵金属。因此，必须发展高效廉价的催化剂，而这一直是制约燃料电池发展的一个短板。

第三个问题是金属锂负极的可充性。其实锂二次电池早于锂一次电池而出现，20 年代 60 年代先出现的不是锂一次电池，而是锂二次电池。大家知道世界上曾经有一个著名的电池公司—加拿大 Moli 公司，为什么这个公司现在基本上不复存在？主要的原因就是它们在上世纪 80 年代率先推出了锂二次电池，由于锂枝晶生长导致电池爆炸，在市场上将用户炸伤了，电池全部召回，从此一蹶不振，所以锂的可充性一直是一个问题。到现在为止，国际上一直没有很大的进展，短时间想解决这个的问题，也是非常难的事情。

另外一个问题是，它的放电产物是锂氧化物，将固态的锂氧化物再催化分解成氧和锂，多难啊。

我总结一下，锂空电池聚集了多个电池体系所遇到的难的问题，包括锌空电池、燃料电池、锂二次电池，此外还有一些自身特有的问题。因此，我认为锂空电池的实用化希望非常渺茫。