是什么设计，让锂电池变得安全可靠？

 

      2016年创造性地提出了用不燃烧的固态电池，替代可燃的电解液。

 

      是什么技术，让中国电池不受资源制约？

 

      钠离子电池的技术，将有望成为国家电池产业，战略性地支撑的力量。

 

      又是什么材料，让中国锂电领跑全球？

 

      中国可以在这个领域，超越西方国家，这句话放到今天来回想，简直就像开了天眼一样。

 

      《科普中国·直击最前沿》邀请中国科学院物理研究所研究员李泓，讲述中国电池的崛起。

 

 

      崛起的中国电池

 

      弘扬科学精神，普及科学知识，为贯彻落实国务院印发的全民科学素质行动规划纲要中国科协科普部和北京广播电视台共同推出国内首档科学家演讲电视科普栏目。

 

      2024中国汽车重庆论坛在6月6号举办，上汽集团的宣布将在2026年量产固态电池，固态电池的能量密度将会超过每公斤400瓦时，同时将会具备更好的安全性能和低温性能。那么到底什么是固态电池？固态电池的发展和量产又会给我们的生活带来什么样的改变呢？

 

      特邀嘉宾李泓：中国科学院物理研究所研究员，国家重点研发计划储能与智能电网专项指南编写总体组组长，他带领团队研发出锂离子电池，纳米硅碳负极材料，并开发了高能量密度混合固液和全固态锂电池，助力中国锂电领跑全球。

 

      以创新之力，探索电池技术的前沿，用科技之光，照亮社会进步的道路。

 

      锂离子电池的电解液，一直以来都是广泛的使用，正常使用的时候是不会有问题的，但在一些极端的情况下，特别是高热的情况或者过充的情况下，它容易燃烧起火爆炸，大家就在想，能不能把这种容易燃烧的电解液逐渐的减少，最后变成一个不容易燃烧的完全是固体的这个电池，这样就实现了从液态到半固态到全固态这项技术的迭代和创新。

 

      液态电池，锂离子在液体中穿梭运动就好像顺着河流往前走，如果把所有的液体都抽干了，像一个干涸的土地一样，科学家就想办法，如何在一个完全固态的体系里让离子跑得非常快，所以实际上从液态到固态，还是有很多的科学和技术上的挑战。

 

      锂电池到底安不安全？

 

      我们大部分生产的产品，特别是顶尖企业生产的产品，是非常安全的，很少会出现问题的。但因为现在，特别是在电动自行车这个方面，有些销售商希望电动车跑得更远，甚至把电动汽车淘汰下来的电池改装以后直接装到了电动自行车上，因为毕竟能量密度比铅酸电池还高，那么不正常的改装，特别容易导致电池着火，第二就是劣质的电池，制造的时候有很多的缺陷，遇到一些振动极端的情况下，内部容易短路，也会出现导致着火的这种情况。

 

 

      今天大家如此关注电池，归功于新能源汽车的崛起，锂电池是电动汽车的关键部件，被称为电动汽车的“心脏”，在世界汽车大国你追我赶逐鹿新能源车的今天，可以说得锂电池者得天下。

 

      2023年6月30号，一块由我国自主研发能量密度达到每公斤360瓦时的半固态锂电池正式交给电动汽车的龙头企业，这一进展，标志着中国在电动汽车大国的道路上，又迈出了重要的一步。被认为是全球电动汽车行业的重要里程碑。

 

 

      鲜为人知的是，到达这一里程碑之前，中国科学院物理研究所科研团队已经在锂电池领域潜心耕耘了40余年。

 

      上世纪70年代全球爆发了石油危机，让全球能源领域第一次意识到，应该找到一种全新的清洁能源的解决方案，作为化石能源的替代品。美国率先布局了未来能源产业，希望能够继续称霸能源界。

 

      1976年末，陈立泉老师正在德国马克斯普朗克固体化学物理研究所访问，他发现马普所正在研究一种固态电解质材料-氮化锂，这个材料有可能用于开发固态锂离子电池，预期能量密度远远高于当时的铅酸电池，有望在未来的产业中获得广泛的应用。陈老师立即决定，选择这一方向，他便开始了固态锂电池的研究。在1988年，第一批的全固态金属锂电池在物理所的实验室诞生，但在当时，其距离商业化应用还非常的遥远。

 

      起初国内并不掌握液态锂离子电池的制造方法，更不了解电池的结构。我们通过研究发现，锂离子电池之所以性能出众，相对于原来开发的那些电池，主要是它的材料优势和电极制造的优势，在锂离子电池制造电极的时候，是把非常小的正极颗粒做成浆料，涂布在铝箔上，但要做的很薄，跟以前做电池的工艺完全不一样，好在咱们中国也参与过电影胶片的制造，电影胶片也是非常多层的一个涂布，我们中科院当时的感光所，现在的理化所，他们也掌握了这个涂布，所以我们跟感光所的老师经过交流，终于理解了如何让浆料在铝箔上涂得非常均匀这个核心的技术。经过工程师的改良，那套涂布的装备，在当时的电池生产中发挥了重要的作用，在进一步持续努力基础上，陈立泉老师带领团队建立了圆柱电池的试验线，诞生了我国第一颗圆柱锂离子电池。

 

 

      数年间正极材料不断突破，然而负极材料的研发非常缓慢，常规石墨负极材料，接近能量密度极限，已经严重制约了锂电池性能密度的继续提高，和电动车续航的提升

 

      里程严重的制约了电动汽车的发展，而在高能量密度电池，特别是高能量密度负极材料方面，我们是有储备的，1996年，我在物理所念博士的时候，我们就开始研发高能量密度锂离子电池的硅碳负极材料，并获得了系列材料的发明专利的授权，与传统的负极材料石墨材料相比，硅碳作为负极材料，优势非常明显，因为硅材料的理论质量比容量最高可达4200毫安时每克，远高于石墨的理论容量372毫安时每克，是目前已知负极材料中，理论比容量最高的材料，但是在技术研发过程中，我们需要克服一系列的困难。

 

      在技术研发过程中，李泓和他的团队又遇到了新的困难，硅碳负极材料在电池充放电过程中，材料体积会增大数倍，这样的体积变化，轻则造成电池体积膨胀，重则引发电池爆炸。如果问题不能得到解决，新材料将无法使用。

 

      最大的一个技术难题，对硅负极来说，怎么解决在嵌锂过程中存在的巨大的体积膨胀，而这个问题要不解决，就会限制它在生产实际中的规模化应用。后来，我们通过硅材料的纳米化技术，超均匀的分散技术等一系列的技术，终于逐步的解决了这一问题。2013年，我们已经完成了10公斤的小试，在中国科学院先导专项的支持下，开始进入到中试放大的阶段，到了2016年底，我们完成了从实验室到产业化的关键的一步，目前已经通过创办企业建立了万吨级的生产线，生产的纳米硅碳负极材料克容量达到了目前世界的最高水平2000毫安时每克以上，材料的综合性能，达到已经量产的世界领先水平。

 

      纳米硅碳负极材料是我国拥有完全自主知识产权的锂电池的核心材料，这才有了后来锂离子电池能量密度的不断突破，并支持我们开发的动力电池达到了360瓦时每公斤的一个世界级的最高水平。逐渐成为了新一代动力电池的新的标杆和标配。

 

      随着社会科技的不断的进步，长续航的新能源汽车、电动航空、智能终端、新能源的存储、国家安全等领域，对锂电池提出了更高的要求，需要电池既具备高的能量密度，又要有高的安全性，那传统的液态电解质的锂离子电池，能量密度提升越来越有挑战，因此我们将目光再次转到了陈立泉老师早期研究的固态电池上面。

 

      固态电池是一种使用固态的电极材料和固态电解质的电池，它可以搭配新的具有更高能量密度的正极材料和负极材料，这样的话可以让电芯大幅的减重，根据理论的预测，未来能量密度还可以进一步的提升到600瓦时每公斤以上。这样的话有可能会支持电动飞机的发展。同时，固态电解质一般情况下不容易爆炸燃烧，用不燃烧的固态电池替代可燃的电解液，固态电池同时能够实现更高的安全性。

 

      中国要实现锂离子电池产业的持续领先，必须要发展固态锂电池，物理所在2016年结合早期的全固态金属锂电池和我们开发的液态锂离子电池，创造性的提出了基于电解液原位固体化的系统的技术路线，开发了具有我国知识产权的固态电池技术的专利群，形成了整体解决方案。2024年6月6号，浙江龙泉磷酸铁锂储能电站顺利并网，使得我国在全球范围内率先实现了固态电池及关键材料的量产和商业化应用。

 

      那么 高能量密度固态电池材料和电池究竟是怎么设计出来的，中科院物理所研究院禹习谦老师详细介绍了实验室情况及电池制作过程。

 

 

      几天前，我们中国科协的万钢主席，再次来到这里调研了我们固态电池的发展，他是一直持续的关心推动中国锂离子电池技术的进步。

 

 

      如今，我国在动力储能锂电池市场，全球占有率均位居世界第一，锂电池中91.6%的专利技术来自于中国，这是过去30多年来，科学家和工程师共同努力的结果。

 

      目前我国80%的锂资源依赖进口，一旦在全球的锂资源供应上出现了不足的时候，对产业发展损害会比较大，因此我们必须开发不受资源限制的电池技术，那么在所有的电池中，钠离子电池是一个非常合适的选择。中国科学院物理研究所胡勇胜研究员他们提前布局了钠离子电池的基础研究，在国家需要的时候挺身而出。

 

 

      2017年我们已经建成了百吨级材料的中试线，包括正极和负极，以及兆瓦时级产能的电池线，研制出了能量密度达到了150瓦时每公斤，循环寿命超过4500次的钠离子电池，并先后完成首座100千瓦时的储能电站的示范，以及首座1兆瓦时的钠离子电池的光储充智能微网系统的一个集成。那么这些世界第一的创造，也给世界范围内提供了钠离子电池可以商业化的一个信心，我们相信钠离子电池的技术将有望成为国家电池产业，和储能技术发展的战略性的支撑的力量。

 

      经过30多年的技术发展，我们国家已经形成了以液态锂离子电池为基础，半固态电池进入市场，全固态电池全面研发，钠离子电池产业化的多种电化学储能技术加速发展的一个态势，我们也将会和世界范围内的优秀团队继续密切合作，为中国电池技术的进步，为人类社会更高质量的发展，为双碳目标的实现，作出重要的贡献。

 

 

      北京万龙精益导控技术有限公司研制的Feli1200电池超声波检测系统已服役于中科院物理所，服务固态电池的开发，助力新能源电池产业升级。

 

 

      Feli 系列电池超声波检测系统在锂电池研究领域具有很大的优势。利用声波对电芯内物理化学变化的敏感性进行原位无损的成像，进而得到电池内部状态变化信息。可以对电解液的浸润状态、电芯副反应产气、电芯析锂的进行研究，以及对电芯荷电状态和循环稳定性等进行预估，为电池的健康状况进行综合评估、为优化电池装配工艺、分析电池失效机制等方面提供了无损技术手段和有效途径，有助于实现电池的安全性预警与故障的及早排除。

 

      Feli 系列电池超声波检测系统是一种无损原位表征手段，广泛应用于电池生产厂、高校、研究院所，消防以及电池回收利用等领域。

 

 

      可实现多种显示功能：A扫描波形、B扫描断面图、C扫描图像、D扫描显示、层析等。可通过缺陷识别功能统计析锂面积、气泡面积、浸润效果等数据。

 

      相较于传统电性能电池检测手段，有助于缩短电池的研发周期，特别是与充放电、温度控制相结合全寿命实时在线可视化电池内部变化。及超声信号早于电信号，有助于电池热失控早期预警等优点。

 

      电池超声检测技术具有效率高、成本小、无污染且定位精准的特点，为电芯研究、生产、服役、梯次回收提供了有效的原位免拆解表征手段。

 

      该技术可用于：软包电池、硬壳电池、固态电池等