近日，中國(guó)工程院院士陳立泉在《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》演講時(shí)指出，中國(guó)鋰電池研究并不晚，幾乎和世界同步。1995年，第一塊鋰電池在中科院物理所誕生了，已達(dá)到世界先進(jìn)水平?，F(xiàn)在，中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量已穩(wěn)居世界第一。
中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量為什么能夠世界第一?這要從開始來(lái)講起。
中國(guó)鋰電池研究并不晚，幾乎和世界同步。1976年的圣誕節(jié)之前，科學(xué)院派遣我到西德。那個(gè)時(shí)候德國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一，東德、西德是分開的。我到西德斯圖加特馬普固體所進(jìn)修，當(dāng)時(shí)我很快發(fā)現(xiàn)他們?nèi)舷露荚谘芯康嚲w的性能，我感到很奇怪，為什么大家對(duì)氮化鋰這么感興趣?當(dāng)時(shí)才知道氮化鋰是一個(gè)離子導(dǎo)電的材料，據(jù)說(shuō)是一種叫超離子的導(dǎo)體，可以用來(lái)作汽車的電池。我聽到這句話之后馬上在腦子里想了一下，我是不是要改方向。
他們的研究所有個(gè)開門辦所，有一天對(duì)社會(huì)開放，他們就把這個(gè)氮化鋰，這一個(gè)類似于扣子似的小電池?cái)[在桌子上，旁邊放了一個(gè)鉛酸電池。我一看，一個(gè)鉛酸電池很沉，一個(gè)扣式電池很輕。我就想這個(gè)東西的確是很有用的，所以我馬上就給國(guó)內(nèi)所里打報(bào)告，我說(shuō)我要改行，從晶體生長(zhǎng)改到新的學(xué)科，叫固體離子學(xué)。大概一個(gè)月以后，所里給我回信，允許我改行?；貒?guó)以后，科學(xué)院非常支持把這個(gè)項(xiàng)目給物理所，說(shuō)應(yīng)該給這個(gè)年輕人建個(gè)研究室，所以很快就成立了一個(gè)固體離子學(xué)實(shí)驗(yàn)室。這是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)第一個(gè)固體離子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也是物理所最小的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。我從事的工作就是鋰離子導(dǎo)體和鋰電池研究。
1991年索尼公司宣布產(chǎn)業(yè)化以后，物理所迅速跟進(jìn)了。當(dāng)時(shí)我們就在思考怎樣能夠邁出產(chǎn)業(yè)化的第一步。我們做研究的單位是把錢變成知識(shí)，如果投資的單位是把技術(shù)變成錢。怎么想辦法能把知識(shí)變成技術(shù)，就是怎么能夠銜接上，我們提出了一個(gè)思路，就說(shuō)能不能想辦法讓研究單位往前走幾步，讓投資單位往前走幾步，我們?cè)?ldquo;橋”中間會(huì)合。所以就找了一個(gè)投資方，1993年簽訂了一個(gè)A型鋰離子電池的研究開發(fā)協(xié)議，投資方給的經(jīng)費(fèi)是10萬(wàn)元錢，同時(shí)更重要的是派了三個(gè)人來(lái)。這三個(gè)人當(dāng)時(shí)對(duì)我們有很大支持，因?yàn)楫?dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室我就一個(gè)碩士生，人手很缺乏。
很快1995年第1塊鋰電池就從中科院物理所誕生了。當(dāng)時(shí)的這個(gè)手機(jī)叫“大哥大”，可能年紀(jì)稍稍大一點(diǎn)知道，“大哥大”就是像一個(gè)磚頭一樣的一個(gè)手機(jī)，當(dāng)時(shí)拿個(gè)“大哥大”是一種身份的象征。A型鋰離子電池就是“大哥大”的電池。中科院鑒定以后認(rèn)為，當(dāng)時(shí)這個(gè)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平，可以再進(jìn)一步往下走，這就是當(dāng)時(shí)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室怎么樣從知識(shí)變成了技術(shù)，走出了這一步。
陳立泉院士指出，目前我國(guó)鋰電池技術(shù)發(fā)展不錯(cuò)，這是學(xué)術(shù)界、工程界和產(chǎn)業(yè)界的合作，是研究院所和大學(xué)的通力合作，是高度的重視原始創(chuàng)新、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究緊密結(jié)合，加快研究成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的結(jié)果。
鋰離子電池的發(fā)明肯定不是日本人，要不諾貝爾獎(jiǎng)怎么是給兩個(gè)美國(guó)人和一個(gè)日本人。所以說(shuō)鋰離子電池是日本人發(fā)明的這個(gè)話不完全對(duì)，可以說(shuō)鋰離子電池是日本人先產(chǎn)業(yè)化的，這句話是對(duì)的。
日本人最早1991年宣布產(chǎn)業(yè)化，市場(chǎng)占有率是100%，然后一直往下掉，現(xiàn)在還在往下掉。連索尼公司都不做鋰離子電池了，它的鋰離子電池賣給了另外一個(gè)公司。韓國(guó)人跟中國(guó)人是往上走的，到2014年我們中國(guó)的動(dòng)力電池、鋰電市場(chǎng)份額已經(jīng)超過(guò)了日本跟韓國(guó)，處于世界的第一位，現(xiàn)在還在往上升。
我們鋰電池技術(shù)從目前發(fā)展的情況來(lái)看是不錯(cuò)的。實(shí)際上是學(xué)術(shù)界、工程界和產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)合作，是研究院所和大學(xué)的通力合作，高度重視原始創(chuàng)新、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究緊密結(jié)合，加快研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
Goodenough(約翰·古迪納夫)發(fā)現(xiàn)了普遍使用的正極材料鈷酸鋰還有磷酸鐵鋰，但這兩種材料都有缺點(diǎn)。鈷酸鋰實(shí)際上只能取出0.5摩爾的鋰，而磷酸鐵鋰實(shí)際上是個(gè)絕緣體，都有缺點(diǎn)。我們想辦法找出它的缺點(diǎn)，然后通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行了改性并且取得了專利權(quán)，這個(gè)專利權(quán)對(duì)于我們鋰離子電池的發(fā)展起了非常重要的作用。
前幾年比利時(shí)的五礦公司要到中國(guó)來(lái)收鋰離子正極材料知識(shí)產(chǎn)權(quán)費(fèi)，據(jù)說(shuō)是一噸要收5萬(wàn)。做鈷酸鋰三元材料大概一噸的利潤(rùn)可能也不到5萬(wàn)，他們就到海淀知識(shí)法庭把我們告了，后來(lái)中國(guó)的做正極材料的企業(yè)聯(lián)合物理所和他們庭外和解，因?yàn)槲覀冇羞@個(gè)專利，所以他們?cè)僖矝](méi)有提要收專利費(fèi)的問(wèn)題?？吹贸鰜?lái)，不是我們的原創(chuàng)材料，但是我們做了工作，我們也申請(qǐng)了我們的專利，對(duì)于保護(hù)我們自己的企業(yè)是很有好處的。
第二個(gè)例子就是磷酸鐵鋰。它是個(gè)絕緣體，我們通過(guò)理論計(jì)算，它是個(gè)一維的離子導(dǎo)體，如果說(shuō)你在鋰位摻上鉻這種大的離子的話，就把這個(gè)鋰的通道堵塞了，這樣是不行的，沒(méi)法用。后來(lái)就有人又提出來(lái)一個(gè)在鐵位摻鈉。鐵位摻鈉的時(shí)候，顏色變黑了，電導(dǎo)率也提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，它的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率都挺好。所以法國(guó)和德國(guó)科學(xué)家認(rèn)可這個(gè)工作，這是唯一的一條可行的路，打破了國(guó)外的原始專利對(duì)磷酸鐵鋰材料的壟斷。這樣才有我們現(xiàn)在各鋰電池企業(yè)在相當(dāng)大量地使用磷酸鐵鋰材料，不受國(guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)的影響。
從這兩個(gè)例子可以看得出來(lái)，雖然我們沒(méi)有做原始創(chuàng)新，是我們給它改性、再創(chuàng)新了，也是非常重要的。
剛才講的是兩個(gè)正極材料，那么現(xiàn)在我講負(fù)極材料，這是我們的原始創(chuàng)新了。清華大學(xué)很早就申請(qǐng)了天然石墨做鋰離子電池負(fù)極的專利。兩年前，它申請(qǐng)了國(guó)家的發(fā)明獎(jiǎng)，這個(gè)發(fā)明獎(jiǎng)就等于是承認(rèn)了我們用天然石墨做鋰離子電池的負(fù)極是我們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。光有石墨還不行，石墨的容量是比較低的，372毫安時(shí)每克。硅的容量實(shí)際上是相當(dāng)高的，那么硅能不能夠作為鋰離子電池的負(fù)極呢?1999年我就做了這個(gè)工作，申請(qǐng)了第一個(gè)專利。所以國(guó)際上第一個(gè)硅作負(fù)極的專利是我們申請(qǐng)的，這個(gè)是美國(guó)人也承認(rèn)的。但是你要把它用上，還是相當(dāng)困難的。從幾百毫克到幾百公斤，用了17年的時(shí)間，這17年我們走的路從文章變成技術(shù)，然后變成產(chǎn)品，變成市場(chǎng)。
我們現(xiàn)在的原材料基本上是已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，進(jìn)口的量已經(jīng)相當(dāng)少，同時(shí)我們的設(shè)備絕大部分也都是國(guó)產(chǎn)化的設(shè)備，更不用說(shuō)員工的技術(shù)，現(xiàn)在基本上都是我們自己培養(yǎng)的技術(shù)。
自從發(fā)現(xiàn)了電以后，人類就一直在想方設(shè)法把電儲(chǔ)存起來(lái)，于是有了電池，而科技的進(jìn)步，讓電池的蓄電能力越來(lái)越強(qiáng)。隨著鋰電池、太陽(yáng)能電池等新型動(dòng)力電池的問(wèn)世，電池技術(shù)已今非昔比。盡管現(xiàn)在鋰離子電池的應(yīng)用占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但是有不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在探索電池產(chǎn)品新的未來(lái)，鈉離子電池、氫氧燃料電池、固態(tài)電池等等新概念電池紛紛進(jìn)入大眾視野，那么，誰(shuí)才是未來(lái)的終極電池?
中國(guó)工程院院士陳立泉指出，發(fā)展固態(tài)電池，一定要有屬于中國(guó)自己的創(chuàng)新，這樣才能為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)中國(guó)的夢(mèng)想奠定基礎(chǔ)。像鈉離子電池、鋁離子電池、鎂離子電池、鋅離子電池的研究現(xiàn)在都應(yīng)該做，只要我們能夠抓住時(shí)機(jī)不放棄，是有機(jī)會(huì)走到世界前頭的。
現(xiàn)在的鋰離子電池是液體電解質(zhì)，那么能量密度已經(jīng)基本上到了極限，大概300瓦時(shí)每公斤或者350瓦時(shí)每公斤，已經(jīng)到了極限。那么安全性問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，由于它一個(gè)能量密度有限，一個(gè)安全事故會(huì)發(fā)生，所以這樣我們要考慮固態(tài)電池。
固態(tài)電池它是什么呢?現(xiàn)在我們用的是鋰離子電池，更全面一點(diǎn)包括像鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池這些都是液態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池可以做得跟鋰離子電池一樣，只不過(guò)把電解液換成是固態(tài)。它是固態(tài)，就是里頭不含液態(tài)或者液態(tài)含的很少。固態(tài)電池實(shí)際上不是一個(gè)新的東西，“六五”計(jì)劃、“七五”計(jì)劃我們就將固態(tài)電池列入重點(diǎn)課題，那么科技部也是第一個(gè)把固態(tài)電池這個(gè)課題列為重大項(xiàng)目。固態(tài)電池的關(guān)鍵就是要研究固體電解質(zhì)材料，固態(tài)電池它的負(fù)極是用金屬鋰。中間這個(gè)電解質(zhì)是固體，固體電解質(zhì)不是液體，那么正極可以用不含鋰的正極材料，也可以用現(xiàn)有的這種正極材料。如果說(shuō)能夠找出來(lái)不含鋰的正極材料，或者說(shuō)容量更高的，我們就可以做出能量密度更高的固態(tài)電池，那么它的能量密度就可以大于每公斤500瓦時(shí)，那么它安全事故可以大大減小。
實(shí)際上固態(tài)電池不是說(shuō)沒(méi)有短路的那一天，如果固態(tài)電池有短路那一天它會(huì)不會(huì)燃燒?金屬鋰在空氣里頭可能起某種反應(yīng)，但是它的量比較小，它不會(huì)爆炸，所以安全性應(yīng)該說(shuō)是比現(xiàn)在的鋰離子電池應(yīng)該要安全。
固態(tài)電解質(zhì)基本上我們中國(guó)人沒(méi)有原始創(chuàng)新，比較少。既然要發(fā)展固態(tài)電池，一定要有我們的創(chuàng)新。常見的聚合物的材料就這么幾種，PEO (聚環(huán)氧乙烷)、PP0(聚環(huán)氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈)，它們的室溫離子電導(dǎo)率都比較低。最近青島能源所崔光磊做了一些新的工作，他可以室溫下做到10的負(fù)4次方西門子每厘米，他的電池也用上了，所以應(yīng)該說(shuō)有新的進(jìn)展。米歇爾·阿芒德聽到崔光磊的報(bào)告以后，第二天就給我發(fā)個(gè)E—MAIL，說(shuō)看來(lái)中國(guó)人再一次走到了世界的前列。最近新引進(jìn)的一位王雪峰博士，物理所把他引回來(lái)了，他把鋰離子電池和鋰氧電池混起來(lái)，他是用什么?用硫化鉬作正極，二硫化鉬它可以插鋰進(jìn)去，也可以插氧進(jìn)去，形成一個(gè)新的化合物?；炱饋?lái)以后，它容量是相當(dāng)高的。這個(gè)工作我們?cè)谖锢硭采暾?qǐng)了專利，所以這是新的一些思路，將來(lái)會(huì)對(duì)固態(tài)電池起作用。
所以我希望通過(guò)固態(tài)電池的發(fā)展來(lái)使我們國(guó)家能從跟跑、并跑一直到領(lǐng)跑。能夠使世界市場(chǎng)占有率第一位的位置我們能夠保持。要保持這個(gè)第一位地位的位置，我想對(duì)目前的鋰離子電池的工作我們不能放松，就是有很多創(chuàng)新的工作、創(chuàng)新的成果我們要往產(chǎn)業(yè)化走。
日本人Kanno(菅野)我很佩服他，他一直堅(jiān)持固體電解質(zhì)一直沒(méi)放，我覺得日本的這一點(diǎn)我們是值得學(xué)習(xí)的。我們的固態(tài)電池研究工作從鋰離子電池開始就基本上都放掉了、停掉了，但是現(xiàn)在，只是現(xiàn)在我們又回過(guò)頭來(lái)重新去做。我覺得重新去做也不晚，我們還可以，實(shí)際上還可以趕得上，從目前的趨勢(shì)來(lái)看我們還是有優(yōu)勢(shì)。所以鋰電池的工作，無(wú)論是鋰電池也好、固態(tài)電池也好、還是液體電解質(zhì)電池都是應(yīng)該是有很多工作要鼓勵(lì)創(chuàng)新的。除了這個(gè)以外，其他電池一定要做，比方說(shuō)鈉離子電池，你別看現(xiàn)在大家做鋰離子電池都是信心滿滿，但是全世界開的車都用鋰離子電池的話，實(shí)際上鋰是不夠的。昨天米歇爾·阿芒德也給了一個(gè)數(shù)據(jù)，就是說(shuō)全世界10%的電動(dòng)汽車都用電池來(lái)開的話，它大概需要多少電池 ?60多億噸還是多少，量是相當(dāng)大的。這樣的情況下，一定要發(fā)展像鈉離子電池這一類資源比較豐富的電池。另外鋁離子電池、鎂離子電池或者是鋅離子電池這些實(shí)際上也應(yīng)該做的，特別是有些工作是我們有優(yōu)勢(shì)，是我們?cè)谙鹊摹?/p>
鈉離子電池是我們有優(yōu)勢(shì)，第一輛低速電動(dòng)車是我們演示的，第一個(gè)100千瓦的電站是我們演示的，然后就像鋅離子電池的專利，人家也承認(rèn)是中國(guó)的首先的專利。現(xiàn)在我們正在做鋰的或者鎂的固態(tài)電池，我覺得這些東西的話大家都是從頭做起，我覺得是我們只要抓住時(shí)機(jī)能夠不放棄，應(yīng)該說(shuō)是有機(jī)會(huì)走到世界前頭的。
氫氧燃料電池不是電池，它實(shí)際上是個(gè)發(fā)電裝置。就是說(shuō)你有了氫了，我通過(guò)它加上氧我可以發(fā)電、產(chǎn)生電，它是個(gè)發(fā)電裝置，不是電池。但是氫氧燃料電池我們一定要研究。氫它沒(méi)有礦，它不像鋰，鋰有鋰礦。中國(guó)的這個(gè)鋰的資源雖然是沒(méi)有南美洲那么多，但是我們還算是鋰資源比較豐富的國(guó)家，但是氫你沒(méi)有。你將來(lái)氫從哪兒來(lái)?有人說(shuō)你電解水制氫呢?那當(dāng)然是可以電解水制氫，大家都可以電解水制氫，但是電解水制氫要什么?要電。你有了電，以電解水制氫，然后氫你再把它裝瓶也好，把它液化，最后你再把氫又用氫氧燃料電池去發(fā)電。就是說(shuō)開始是電，最后還是電，你都是用這電去開車。
如果說(shuō)能夠解決太陽(yáng)能光解水制氫這個(gè)問(wèn)題，那么將來(lái)我們氫氧燃料電池的確是大有希望。氫氧燃料電池我們要研究，但是要大發(fā)展，就是說(shuō)它要去取代鋰離子電池的這個(gè)地位，不是近期的事情。
