演讲题目：1000Wh/L锂离子电池材料体系

演讲嘉宾：黄学杰 中国科学院物理研究所研究员&松山湖材料实验室副主任

演讲内容：

谢谢肖成伟主席的介绍，非常荣幸有机会参加CIBF这样盛大的活动，我的报题目是高密度体系1000Wh/L电池材料体系，当然是指锂电池，目前其他的电池达不到这一点。

刚才主持人提到我的两个工作单位——中国科学院物理研究所和松山湖材料实验室。需要说明的是，松山湖材料实验室位于东莞市，始建于2018年，由物理所牵头建设，旨在打造一个中国南方材料科学研究的战略基地。自七年前筹建以来，已构建形成4个板块，从前沿的研究，一直到成果的转化，其中比较特别的是有成果转化的能力，即把新兴的技术产品化，在实验室里建中试线，做成产品技术，推向市场。我们鼓励年轻人创业，所以也有了几十个创业公司，形成了一定的规模。松山湖离这仅有不到一个小时的车程，欢迎大家抽时间去看一看。

我长期从事锂离子电池的研究工作，在松山湖材料实验室建成了正极、负极、电解质等材料的中试线，而且有一定的规模，每批次大概几百公斤的量。实验线对全行业开放，不仅我们自己的材料在上面做中试，其他企业或研究单位如果有需要，也有机会来做实验。同时有一条动力电池的中试线，浆料-极片-电池，并能做成电池系统做测试。这一条线开放程度很高，从起步建设的时候，就有部分企业在这个中试线做产品研发。

我们正在推进一系列具有代表性的项目，包括动力电池方面的项目。众所周知，新能源汽车已成为中国工业的一张闪亮名片，其发展势头迅猛。这一成就的取得，离不开电池技术的进步与支持。一代正极材料一代动力电池，在过去几十年中，动力电池已经进展到第二代。当然在技术研发领域，我们已经看到了第三代、第四代技术的进展。在锰酸锂电池时代，日产聆风汽车以其低廉的价格和较高的安全性受到青睐，但其续航里程并不理想，目前这一代电池主要应用于低速车辆了。第二代动力电池包括磷酸铁锂电池和三元电池，这两种电池各有其优劣势。目前，性能与经济性决定了磷酸铁锂电池成为市场的主流选择。然而，这并不意味着三元电池的发展就此止步。我坚信，三元电池技术将继续演进。今天，我将重点讨论三元电池技术的未来发展，尽管这可能与当前商业现状不一致。几年前，当全国都在大喊发展三元电池技术时，我曾预测磷酸铁锂电池将占据市场上风。而如今，随着磷酸铁锂电池的广泛应用，我认为三元电池技术必须寻求突破，发挥出优势。那么，三元电池技术将如何实现这一目标呢？

未来产业对高能量密度动力电池有迫切需求，无论是飞行器还是机器人，都需要电池在轻便的同时具备体积小、安全性高的特点。显然，我们不能容忍机器人和飞行器携带的电池存在安全隐患。因此，电池的高能量密度与安全性是至关重要的。在电池材料的选择上，三元材料镍含量的提升是关键，这不仅是为了增加电池的比容量，提升能量密度，也意在降低成本。至于负极，我们正致力于增加硅的含量，以增大其比容量。要实现这些应用，正如专家们所言，需要众多技术的协同发力。由于时间限制，我无法详细介绍每项技术，但核心要点在于：正负极的比容量应尽可能高，电池的安全性必须得到保障，同时，电池还应能在我们的生产线上大规模量产，成本要足够低廉，否则该行业将无法通过技术进步实现发展。

接下来，我将首先对三元材料进行阐述。尽管当前其市场份额正经历快速缩减，但我仍需分析其中存在的问题与潜在机遇。今日所讨论的三元材料，主要涉及镍钴锰，而镍钴铝在国际上亦占据重要地位。镍含量愈高，电池容量愈大，然而安全性却随之降低。过去，受国家补贴政策鼓励高比能量电池应用的影响，业界曾迅速转向高镍材料，如镍8系产品，结果却遭遇重大挫折，安全事故频发，最终不得不退回到中镍，例如5系、6系产品。虽然电池安全性有所提升，但其性能与当前铁锂电池相比并无明显优势，能量密度提升有限。与此同时，铁锂电池技术正迅速发展，成本亦相对较低。这正是三元电池市场份额持续缩减的关键原因。要突破这一困境，显然不能满足于生产中镍电池，而应探索高镍材料的技术突破路径。

一旦高镍材料相关技术问题得到解决，三元电池技术将迎来全新的发展契机，特别是在动力领域。我们预期，在未来几年内，这一问题将得到有效解决。随着飞行器、机器人等新兴应用领域的推动，我们必须向高镍技术迈进，这是不可避免的趋势。随着这一转变，电池技术将进入一个崭新阶段，即便是固态电池的研发也离不开高镍材料技术的支撑，这已成为一个显而易见的事实。

据预测，到2030年，中镍材料的市场份额将几乎可以忽略，而高镍和超高镍材料将成为市场主流。我们必须现在就开始着手研究哪些类型的高镍和超高镍将成为主流。

先前讨论了高镍材料引发的安全问题，其根本原因在于体积变化导致材料结构破坏以及氧的不稳定性等问题。因此，高镍电池存在安全隐患。为了解决这一问题，尤其是固态电池的应用问题，行业普遍采取的策略是尽量将材料制成单晶形态，降低比表面积，并增强其强度。通过检索，可以发现众多研究者正沿着这一路径努力。然而，也有研究者采取了相反的策略，其中松山湖材料实验室就是一个典型代表。不是将三元材料的晶粒由多晶转变为单晶，而是使其变得更小，形成致密的微晶结构。这种做法有何益处？它有助于解决当前高能量密度电池的问题，无论是液态、半固态还是全固态电池。那么，如何实现这一目标呢？我们需要综合运用各种技术手段对材料进行改良。具体而言，从实验室小样到批量生产，我们具备中试条件，并与工业界合作，以实现更大规模的生产。在大规模生产后，与市场上镍含量超过90%的同类材料相比，通过CT扫描可以迅速发现，商业材料的一次颗粒较大，这是众所周知的，我还要指出，商业材料的孔隙率也相对较大，可以通过定量分析来证实这一点。而我们制备的致密微晶结构材料，一次颗粒度数量显著增加，内部缝隙所占比例明显减少，从而有效提升了材料的密度。

接下来，我们对材料的热稳定性进行分析。在完成材料制备后，将锂元素从中移除，随后进行升温X射线衍射分析。在此过程中，可以观察到两个相变过程，这些相变与氧的逸出密切相关。当加热时，通常在210℃左右，普通商品级材料开始出现氧的析出，引发第一个相变，即层状结构转变为尖晶石结构。继续加热，将发生第二个相变，由于氧的进一步丧失，尖晶石结构转变为岩盐结构，这是一种非常稳定的结构。当材料被制成致密的多晶体后，我们发现第一个相变的温度提升了约20℃，第二个相变的温度提升了40℃。尽管这20℃和40℃看似微不足道，但对电池安全具有至关重要的意义。

我们还须进一步提升材料的耐压强度，可通过将普通多晶结构转变为致密的微晶结构来实现，从而使其耐压强度提升至原来的三倍。众所周知，在制造电池过程中，需要对极片施加极大的压力。我们经过分析发现，如材料耐压强度不够，其极片中的相当一部分正极材料会被压碎，导致包覆层无法发挥应有的作用。固态电池生产过程中材料需要承受更大的压力，还有循环过程中材料因为应力作用而破裂，即便是单晶材料，也会因应力作用而产生裂纹，这一点并不会因为材料是单晶还是多晶而有所不同。

我们所制备的微晶材料展现出卓越的电化学活性，其在比容量表现方面尤为突出。即便在1C的条件下，该材料仍有220mAh/g的可逆容量，并且运行稳定，同时确保了足够的安全性和循环稳定性。需要指出的是，该材料也开始在固态电池领域中展示其潜力。在松山湖能够制备一定量的这种材料，我们优先考虑供应给从事全固态电池研究的团队，无论是硫化物还是卤化物电解质的研究者，这材料能够与卤化物电解质或硫化物电解质相匹配，因为这两种体系全固态电池研究发展迅速。当然，我们也在积极努力，以期在未来为半固态电池以及氧化物体系提供适配的材料。

采用此类材料进行电极压制时，即便达到致密状态，亦无需担忧其发生破裂。但是，不少商业材料在压至3.6时，可见许多颗粒已出现破裂现象。目前在产业界部分人士倾向于回归中镍材料，尽管此策略并非长久之计。在此过程中，我特别感激中信金属与巴西矿冶等合作伙伴，他们在材料与项目合作方面提供了宝贵支持。至于我们所拥有的知识产权，其主要目的并非为了收取费用，而是为了促进材料应用。鉴于历史上磷酸铁锂材料因收费问题影响全球产业发展，我们不希望三元材料的知识产权问题影响到产业布局。

接下来，我将介绍一种新型负极材料。通常在讨论负极材料时，硅碳是无法回避的话题。1990年：高比能超充固态电池技术进展与前景展望我们物理研究所的团队着手研究硅负极之前，率先研究的是锡。1998年我们发表了关于锡基负极的第一篇论文，其合金化储锂工作机制与硅相似。多年后的今天，在松山湖，我们成功将硅与锡结合起来。众所周知，石墨仍是目前最主流的负极材料。硅之所以受到青睐，是因为其具有较高的理论比容量，因此被部分地添加到负极中，但同时也带来了巨大的挑战。与硅相比，锡的原子量较大，比容量较低，尽管一个锡原子可以与4.4个锂原子结合，与硅相同，但其密度很高，因此体积比容量非常高。今天我将重点阐述锡与硅如何协同工作。

如何将这一构想付诸实践，我们采取的方法是在碳管内部嵌入锡，外部则覆盖一层薄薄的碳，从而形成一种纳米线结构。这种纳米线有利于锂离子的储存，尽管由于其较大的比重和原子量，其比能量并不高，但倍率性能优异。多年前，索尼公司曾尝试在负极材料中添加锡，以实现在低温环境下快速充电。锂锡合金中锂离子的传输速度，比当前广泛使用的硅、碳等材料快得多，使其成为一种快速传输锂离子的材料，同时也能传输电子。虽然锂离子的加入会导致纳米线体积膨胀，这种体积变化是可以接受的，因为它能带来性能的提升。即便锂离子嵌入其中，材料仍保持极高的强度，与石墨相比，在零下20℃的环境下，仍能以较高的倍率进行充放电。我们在松山湖的主要研究工作是将锡与硅相结合，因此我们在硅基负极材料中加入了锡的纳米线，这些纳米线起到了促进离子和电子导电的作用。添加量控制在5%以内，以形成稳定的结构。在极片上表现为硅以纳米片的形式存在，平行于集流体的面，因此储锂过程中主要在垂直于集流体方向上膨胀。脱锂后纳米片之间的接触问题又如何解决？依靠加入锡纳米线，这一问题得到了解决，极片显示出极高的稳定性，即使与铁锂正极配对使用，也能达到100%的效率，无需担心循环过程中容量下降。因此，我们有机会批量生产这种软包电池，经过1000次以上的充放电循环后，其容量仍能保持在90%以上，这种材料已以极片形式与电池企业展开合作。

今天，我们已具备了1000Wh/L电池产品研制的技术。我们预计，第三代电池不久将面世，其体积能量密度将显著提高。尽管目前正极中添加的：高比能超充固态电池技术进展与前景展望固体电解质的重量限制了其比能量大约在360Wh/kg，但未来仍有改进空间。松山湖以开放的姿态，欢迎企业加入我们的创新工场，共同开发这些新材料，携手推动行业发展。谢谢！更多内容，欢迎访问CIBF2026服务网