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盖世汽车|WNEVC 2020 | 北京理工大学吴锋：以创新对抗熵增，发展新型绿色智能二次电池

2020年9月27-30日 ， 第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开 ， 本次大会以"共克时艰、跨界协同、合作共赢"为主题 ， 为进一步加强国际交流与合作 ， 加速突破新能源汽车市场化障碍 ， 加快推进"电动化、智能化、共享化"融合发展 ， 由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监督管理总局共同举办 。其中 ， 在9月29日上午举办的"新能源汽车技术创新与跨界协同"全体大会上 ， 北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋发表精彩演讲 。
盖世汽车|WNEVC 2020 | 北京理工大学吴锋：以创新对抗熵增，发展新型绿色智能二次电池
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其主要内容与观点如下：
1.二次电池是当前国际研发热点 ， 国际动力电池市场竞争激烈 ， 面临"洗牌"危机；中国动力电池总体产能过剩 ， 优质产能不足 。
2.团队创建二次电池新体系 ， 采用轻元素、多电子、多离子反应体系实现电池能量密度跨越式提升 ， 打破了单电子反应(n=1)的思维定式 ， 研制出能量密度为651Wh/kg的锂硫电池 。
3.团队发展了新一代动力电池的共性技术 ， 包括：阴阳离子协同电荷补偿机制与相关材料技术、电池安全技术、长寿命柔性电池技术、反应界面构建与调控技术、电池回收技术、低成本电池材料与技术 。
4.未来动力电池的主要发展方向为：使电池系统寿命接近单体寿命；实现电池系统从模拟到数字的创新；发展智能电池 ， 研发自主供电传感器系统和半导体化的电池单体 。
5.新型二次电池面临新的挑战 ， 企业要对抗熵增 ， 实现超越 ， 须做出颠覆性创新 ， 瞄准市场形成产业链 ， 才能长盛不衰 。随着核心技术的不断突破 ， 新型绿色智能二次电池将迎来更加美好的明天 。
以下内容为现场演讲实录：
尊敬的万钢主席 ， 尊敬的陈清泰理事长 ， 尊敬的各位领导 ， 各位来宾 ， 大家上午好！我今天是第一个发言 ， 属于抛砖引玉 。
我要讲的主题是：动力电池及其关键材料的研究与展望 。大家知道二次电池是当前国际竞相研发的热点 ， 已成为新一代信息通讯、电动汽车、储能电站与能源互联网等重大应用的关键环节 。2013年美国麦肯锡全球研究所提出的12项改变世界的颠覆性技术报告中 ， 就有4项与其相关 。在国家相关的规划当中都明确提出了重点支持动力电池关键材料、电芯系统等技术研发 ， 并将提升电池能量密度作为关键指标 。昨天一些专家的报告里也讲了 ， 实际上电动汽车从发明到现在100多年了 ， 它当时衰落的主要原因之一就是 ， 它的续航里程很难和燃油车相比 ， 当时用铅酸电池只能跑不到100公里 。
大家知道2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池 ， 当时的获奖词是"重量轻 ， 可充电的锂电池现在被用于到手机、笔记本电脑、电动汽车等等领域 。它还可以储存大量来自太阳能和风能的能量 ， 使一个无化石燃料的社会成为可能——创造了一个可充电的世界 。"锂离子电池问世以后 ， 特别是将它用于电动汽车以后 ， 对于电动汽车的发展无疑起到了一个很重要的作用 。
请看屏幕上这张照片 ， 中间这个是美国的海姆教授 ， 也就是2019年诺贝尔化学奖的获得者 。每次开中美的会议他都参加 ， 这张照片是我的博士生和他一起照的 ， 我们觉得现在离诺贝尔奖越来越近了 。
当然大家也知道动力电池竞争激烈 ， 面临着"洗牌"危机 。2019年全球动力锂离子电池装机量为112.6GWh ， 目前日韩动力电池企业装机量是50.4GWh ， 占比44.8%；中国动力电池企业装机量是62.2GWh ， 占比52.2% 。值得注意的是 ， 在中国的62.2GWh中 ， 前十家企业的装机量就达到了54.65GWh ， 只剩下7GWh由另外几百家企业在竞争 。所以中国的动力电池是总体产能过剩 ， 优质产能不足 。为了使电池能够更好满足于新能源汽车的要求 ， 我们需要创建二次电池的新体系 。
我们的团队连续三期主持国家"973"项目 ， 从2002年开始到2019年12月结题 ， 进行了17年的研究 。这期间 ， 我们团队率先提出采用轻元素、多电子、多离子反应体系实现电池能量密度跨越式提升的学术思想 ， 打破了单电子反应(n=1)的思维定式 。我们在2002年提出多电子反应 ， 当时提的能量密度指标是300Wh/kg ， 当然这是研究指标 ， 不是产业化指标 。可是当时美国和日本的USABC和阳光计划里面的能量密度指标分别是150和200Wh/kg ， 当然我们的指标是基于多电子的新体系上建立的 。到了第二期"973"项目 ， 我们推出轻元素多电子反应 ， 能量密度就达到了350Wh/kg 。第三期是轻元素多电子多离子反应 ， 我们现在所做的新电池能量密度已经达到了651Wh/kg 。
屏幕上显示的是一个多电子高比能锂硫电池 。硫的来源很广泛 ， 硫黄如果作为原料的话就很便宜 。但是这里面有很多问题 ， 包括穿梭效应等 ， 所以我们在这引入氧化还原介质概念 ， 提升界面反应动力学特性；引入沉积骨架概念 ， 捕获多硫离子 ， 沉积再利用 。关键是要通过隔膜正极侧界面的设计提高活性物质的循环稳定性 ， 因为穿梭效应影响了它的循环稳定性 。在负极侧是金属锂 ， 容易产生安全问题 。所以我们设计了隔膜负极侧人工层 ， 用来稳定金属锂的界面 。在电池研究中 ， "界面"问题是大家越来越关注的问题 ， 包括以后的固态电池也同样存在界面问题 。结合刚才说的硫正极、功能隔膜、金属锂的修饰技术 ， 构建了高比能锂硫电池体系 ， 这是一个两电子的体系 。
我们采用模块组装模式构筑微米级的超结构 ， 研制出能量密度为651Wh/kg的锂硫电池 ， 并通过第三方检测 。我想说的是 ， 现在锂硫电池的安全性大家都十分关注 ， 这就有待于电池来解决安全性问题 。解决方案第一是把它固态化；第二是提升它现在还不够高的体积能量密度 ， 这个要通过在负极对金属修饰来进行改进 ， 现在也已经有比较大幅度的提升；第三是循环寿命 ， 现在我们也都在采取一些新的方法 。现在锂硫电池也是美国以及其他各国关注的一个电池体系 ， 它现在已经用在了无人机上 ， 但是对于电动汽车我觉得还有很多工作需要做 ， 但是路是可以走通的 ， 后面还有很多问题需要解决 。
我们团队发展了新一代动力电池的共性技术 ， 这里主要是指新一代锂离子电池 ， 包括下面六个方面 。
第一方面是阴阳离子协同电荷补偿机制与相关材料技术 。原来我们讲锂离子电池是单电的反应 ， 我们通过在正极侧引入多元元素 ， 特别是负离母极的铸件 ， 通过原位的拉曼光谱可以看到氧参与了其中 ， 所以锂离子电池已经由单原子反应向多原子反应过渡 。过去日本的锂离子电池极限能量密度可以达到250Wh/kg ， 现在我们许多企业都已经做到了300Wh/kg ， 有一些单位还做到了400Wh/kg ， 就是因为这里面反应机制变了 。正极材料能量由于它的多电子反应 ， 现在能量密度也可以达到300或400Wh/kg ， 这个是容量 ， 所以电池极限能量密度能够达到350—400Wh/kg 。
第二方面是电池安全技术 。昨天很多人都提到关注安全技术 ， 一些专家也讲到安全技术是下一步发展动力电池的一个前提 ， 所以安全技术当然很多就落在电池头上 ， 一有安全就是电池爆炸起火 。我们这17年来围绕安全问题做了很多工作 ， 我们发展了三种具有智能识别功能的安全型电极材料和不燃或者难燃的电解液 ， 并且建立了电压敏感隔膜 ， 就是提高电池本征安全性的机制 。另外我们还提出了建立电池系统安全阈值边界控制与识别的方法 ， 在这个基础上衍生出电池系统的安全度评价模型 ， 与实时监控的体系 ， 为解决动力电池规模应用提供了技术支持 。
第三方面是长寿命柔性电池技术 。我们通过低应变电极材料构建柔性的反应界面 ， 设计有效的分形电极结构 ， 基于表面修饰的对称型电池 ， 循环寿命达到25000次 。
第四方面是反应界面构建与调控技术 。因为现在很多人对快充提出了要求 ， 所以我们也发展了兼具能量密度的高功率电池新体系 ， 通过电极表面的结构和界面功能调控 ， 提升了功率特性；通过电极过程的活化调控 ， 建立了兼具能量密度、高功率电池新体系；通过单位点活化、双位点耦合、双功能催化、增强吸附 ， 实现了复合材料电池的功率密度3000W/kg ， 同时能量密度达到122Wh/kg 。
第五方面是电池的回收技术 。随着电池用量的不断增大 ， 特别是以后储能电池用量急剧增加 ， 在电池回收方面过去一直是采用有机的体系 ， 就是天然有机酸 ， 而不用传统的这种硝酸、盐酸 ， 这样避免了在再生过程中的二次污染 。天然有机酸的浸出率不低于传统的硝酸盐酸 ， 硝酸就是一价盐酸 ， 天然有机酸实际上不是一价的 ， 是多价的 ， 所以它的浸出率是高于盐酸的 。
第六方面是低成本电池材料与技术 。大家现在对成本也非常敏感 ， 现在大家都在加紧研究的是钠离子电池 ， 我们提出的是钠离子电池在富钠材料中 ， 同样看到了氧的参与 。实际上钠离子电池也有可能成为一个多电子体系 ， 这样的话它的能量密度就有提升的空间 。我想如果把钠离子电池做成水性的电池 ， 而且成本低于每瓦时3毛钱的话 ， 它将有一个非常广泛的发展空间 。
关于未来的技术展望 ， 一共有三方面 。
第一个展望就是如何将电池系统寿命做到接近单体寿命？现在锂离子电池不断更新换代 ， 下一步的电池到底是什么？当然我们可能在电池材料体系方面还会做一个很大的更新 ， 在电池的制备体系还会做一个很大的改变 。过去万主席常对我说 ， 你们这个能不能变一变 。我们也一直在想 ， 一直没敢懈怠 。我们新能源汽车将成为能源互联网的一个核心单元 ， 电池作为其中一个关键电化学能源转换和存储的器件 ， 从发明200多年以来 ， 一直采用固定并串联的系统组成方式 ， 放大了电池单体的差异性和非线性 。由于它固定的串并联使它的差异性变大 ， 造成电池系统的短板效应 ， 进而造成效率、成本、可靠性和安全性等应用问题 。目前电池系统循环寿命远低于单体的循环寿命 ， 如何从根本上克服短板效应 ， 将系统寿命做到接近单体寿命 。
【盖世汽车|WNEVC 2020 | 北京理工大学吴锋：以创新对抗熵增，发展新型绿色智能二次电池】第二个展望就是电池系统从模拟到数字的创新 。目前的电力电子器件已经可以在纳秒级离散化一个数百安 ， 上千伏的能量流 ， 进而采用数字信号处理的手段对离散化数字化的能量流进行信息化处理 ， 消除能量产生和使用中的不确定性和非线性 。就电池系统而言 ， 可以将电池单体容量首先进行"格式化" ， 使其成为一组"能量片" ， 通过采用信息系统与能源系统深度融合的能源互联网模式 ， 数字储能技术将互联网屏蔽终端差异性的技术引入到电池系统 ， 将传统的刚性串并联连接转变为程序控制的柔性连接 ， 从而消除电池单体之间的差异性 ， 实现电池系统从模拟到数字的创新 。
第三个展望是智能电池的应运而生 。大家昨天讲现在都在走向数字化 ， 我想电池也是如此 。所以在能量信息深度融合的大背景下 ， 电池行业将会有以下的发展趋势 。一个是5G时代需要大量的自主供电传感器系统 ， 另外一个就是电池单体的趋势是半导体化 。如果固态电池和电容可以采用半导体工艺制备 ， 得到的DRAM的电池芯片 ， 这将极大的提升终端的供电能力支持半导体工艺 ， 即储能器件的半导体化 。电池单体在生产过程中将与信息系统紧密耦合形成数字电池即智能电池 ， 类比于磁盘到硬盘的变革 ， 将开启二次电池数字化的新的飞跃 。
我们的"973"项目团队包括北京理工大学、中科院物理所、武汉大学、厦门大学、清华大学、南开大学、吉林大学等 。
能源革命悄然临近 ， 我们已经身处其中 ， 光伏、风电、储能、新能源汽车等分布式能源的发展 ， 将极大地改变全球能源的生产、传输和消费方式 ， 将会大范围改变人类生活甚至地缘政治格局 。
新型二次电池作为能源转化与存储的重要环节 ， 面临着重要的挑战 ， 要从基础研究和新材料、新技术、新工艺入手 ， 特别要注意具有颠覆性的创新 ， 做到人无我有 ， 并形成产业链 ， 瞄准市场才能使企业长盛不衰 。然而创新不是炒作 ， 不能急功近利 ， 否则就会是昙花一现 ， 产业取决于市场 ， 不能拔苗助长 ， 否则就会是过眼云烟 。吴国顿说"如果物理学只能留一条定律我会留熵增定律" ， 爱丁顿说"熵增原则是自然界所有定律中至高无上的" ， 薛定谔说"人活着就是在对抗熵增定律 ， 生命以负熵为生" 。今天的人、企业和社会也是如此 ， 如何对抗熵增 ， 实现超越？需要系统开放、智能化和有外力做功的清洁能源 ， 随着核心技术的不断突破 ， 新型绿色智能二次电池将伴随我们迎来更加美好的明天 。
谢谢大家 。
（注：本文根据现场速记整理 ， 未经演讲嘉宾审阅）


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