對話|松山湖材料實驗室黃學傑：新一代鋰電池續航可提升40%

編者按：作為廣東省首批啓動建設的四家省實驗室之一，松山湖材料實驗室揭牌兩年多來，迅速聚集起一大批高水平創新人才，從前沿科技研究成果市場轉化，取得一系列進展。近期，南方日報、南方+客户端特別推出材料實驗室骨幹人才及創新團隊系列專訪，講述他們在東莞的創新創業故事。本文為該系列第四篇。

松山湖材料實驗室鋰離子電池材料研究團隊。

無論是日常使用的手機、平板，還是街頭日益增多的電動汽車，電池都是現代生活中不可缺少的重要動力源。在松山湖材料實驗室鋰離子電池材料研究團隊實驗室內，一千多個電池樣品在測試設備上不停進行充放電等試驗，檢測新型電極材料的技術性能。

利用該團隊研發的新型電池材料，未來有望將鋰離子電池能量提升40%，而成本降低30%，手機將獲得更長的待機時間，電動汽車則可以獲得更長的續航里程，清潔能源獲得更廣泛的應用。目前，該團隊瞄準動力電池等領域，加速向產業化應用推進，立志“讓煤炭和石油的用途從燃料變回材料”，推動電動汽車等產業實現跨越發展。

“石器時代結束不是因為沒有了石頭”

“電池有三個最主要的應用方向，其中大家最熟悉的是手機等電子消費品領域的應用。”鋰電池團隊負責人、材料實驗室副主任黃學傑研究員首先介紹道，相比於其他電池，鋰電池有着更好的綜合性能表現，在手機、電腦等各種電子產品上有着廣泛應用。

鋰電池團隊負責人、材料實驗室副主任黃學傑

早期是電子消費品領域激烈競爭推動着鋰電池性能不斷提升。“過去‘大哥大’非常時髦，但體積大，價格昂貴。當時採用的鎘鎳電池，一塊電池充滿電只能用兩三個小時，出門還得攜帶多塊備用，非常不方便。”

黃學傑表示，隨着鋰離子電池的應用和興起，才使得手機電池性能顯著提升。從早期的摩托羅拉模擬機到諾基亞推出的數字機，手機越來越小，續航越來越久。後來蘋果公司又推動了手機智能化，打電話變成了手機的次要功能，現在人們可以用手機工作和娛樂。“這個離不開鋰電池的支撐，現在的智能手機如果還是用原來的鎘鎳電池，最多用半小時，顯然很難賣出去。”

鋰離子電池在電子產品領域應用使技術和產業鏈快速發展，也為電動汽車的產業化在電池技術上打下了基礎，它已成為電動汽車動力電池的不二之選。當前，我國新能源汽車保有量已達數百萬輛，產銷總量均達到世界第一，不僅傳統車企紛紛向新能源汽車轉型，蔚來、小鵬等電動汽車新品牌也先後創立，發展勢頭迅猛。新能源汽車需要的動力電池，正是該團隊重點攻關的領域。

“汽車的電動化首先可以減少對石油的依賴和減少對環境的影響，汽車行業還有一件很重要的事就是智能化，因為只有電動化的平台的才能夠有效的支持汽車實現智能化，讓汽車成為人們工作和生活的空間，電動化和智能化互相促進。”黃學傑舉例道。

“不能簡單認為電動化就是為了省油。”黃學傑表示，固然石油資源有限是發展電動車的一個重要理由，新的技術變革才是燃油車必將被淘汰的真正原因，正如石器時代的結束並不是因為沒有石頭了，而是因為青銅和鐵器技術的進步。隋着電池技術的進步和汽車智能化，燒油開車時代的結束可以預期。

黃學傑判斷，電動化、智能化汽車的發展，將使得汽車朝着更加小型化、普及化方向邁進，將為汽車產業帶來更大機遇。

鋰離子電池還在儲能方面具有廣闊前景。“目前太陽能、風能的發電成本越來越低，清潔能源在電力供應中的佔比在不斷提升，但是這些清潔能源最大的問題就是不連續，需要對電能進行儲存調節。”

抽水蓄能電站是典型的大規模儲能調節方式，利用多餘的電力將水提升儲存，需要電力時水力驅動發電機發電。建設週期長、投資大，能效低，地理條件要求苛刻。

“電池已成為主要的電力儲能技術，以鋰離子電池為主，去年新裝的電力儲能90%以上都是鋰離子電池。儲電效率超過90%，儲存成本已經大幅度降低，優於抽水蓄能。”黃學傑表示，另外鋰離子電池儲能還有分散的優勢，可以與電動汽車的普及相結合，汽車電池與電網聯動，實現智能調節。

新一代材料助電動車產業越過“臨界點”

汽車產業是全球最大的工業門類之一，在剛剛發佈的2020年《財富》世界500強榜單上，眾多汽車廠商名列其中。由於中國的汽車產業起步晚，在汽油車製造方面技術水平與德國、日本、美國等國相比相對落後，但新能源汽車，特別是電動汽車的出現，為國產汽車崛起提供了趕超的絕佳機會。制約電動汽車發展的三大痛點是續航里程、價格和充電時間，主要受動力電池技術制約。

“我們團隊在松山湖材料實驗室做下一代電池的材料技術攻關，主攻動力電池正負極材料，讓電動汽車充電速度加快、充滿電后里程跑得更長和降低售價，主要依賴於電池材料的變革。”黃學傑介紹道。

材料是影響電池性能的關鍵，並且佔電池70%的成本，因此業界有“一代材料、一代電池”的説法。“今天又到了一個變革的關鍵時期，我們現在的研發重點是兩個電極材料，一個正極材料和一個負極材料。”

“研發新型正極材料的目的是讓電動汽車續航里程大幅度提升的同時，讓每個瓦時的電池成本大幅度下降；而負極材料研發的目的則是怎麼能夠給電池在10分鐘之內把電充進去。”黃學傑解釋道，正極材料主要影響電池的成本及能量密度，負極材料則會影響電池的充電速度。

目前三元材料動力電池，能量密度高，但成本高，磷酸鐵鋰電池成本低，但系統能量密度。該團隊研發的正極材料，是高電壓鎳錳酸鋰正極材料，和通用的石墨負極結合做成動力電池可以比目前成本具有優勢的磷酸鐵鋰電池能量密度提升40%，相應成本則降低約30%。

電池性能的大幅提升和成本的大幅下降，將為電動汽車產業帶來質變。“前幾年一台電動車需要國家補貼五六萬，後來逐漸減少到兩三萬、一兩萬。補貼一旦取消，車子很難賣出去，看得出來它跟燃油車也就差這2萬塊錢，説明電動汽車市場化已到了一個臨界點。”黃學傑表示，目前就是希望通過大家的努力，讓電動車產業越過這個臨界點。“先進的剛開始未必是經濟的，但是最終它將是更經濟的。”

此外，該團隊研發的高密度儲鋰合金負極材料，與傳統石墨負極材料相比，則具有高比容量、快充性能優的特點，在電動車輛和消費電子領域均具有廣闊前景。

“雖然電動車可以在晚上慢慢充電，但不少時候我們希望它充電能快一些，特別是對一些運營的車輛，幾十分鐘的充電時間還是太長了，這會導致公共充電設施佔用時間過長，場地週轉效率低。所以我們希望開發出在十分鐘內可充滿電的電池，人們在喝一杯咖啡的時間即可完成充電過程。”

與東莞產業環境形成密切互動

作為材料實驗室的創新樣板工廠項目，鋰離子電池材料團隊的目標也非常明確，即實現兩種材料的產業化應用。

“我們在中科院物理所就這兩個材料分別已經開展了十幾和二十幾年的前期科研工作，基礎研究已基本做透了。這個時候把它往工業化方向推，必須把每個指標都做好，才可以實現應用。”黃學傑表示，做科研時一個材料的少數幾個指標比較好，就可以寫論文和申請專利，但是做產品的時候，“假設有18個指標要求，差1個都不行”。只能做出幾克樣品也不行，必須一批批做出成百公斤的樣品，做出成批的電池來驗證它。

“下一步從每天產幾百公斤到幾噸幾十噸，那是生產工廠的事。實驗室也鼓勵大家到時去跟企業結合，或者創辦生產企業去擴大規模，需要融資和運營企業等。”

在鋰電池材料團隊的實驗室內，已經有數十台設備搭建起的一條中試生產線，每天可以生產百公斤級的正極材料，動力電池也在進行試做的過程當中。黃學傑估計，今年年底一部分客户就可以拿到電池樣品。而負極材料大概在2021年也將推向市場。與此同時，該團隊也已經着手註冊創業公司，為後續推進產業化應用做準備。

落地東莞後，該團隊原本將注意力放在汽車動力電池領域，但是東莞本地電子終端產品廠商強大的需求也推動該團隊在消費電子領域開展了很多的對接合作，就消費類電子終端產品的合作也正在推進。

“其實東莞這一塊需求很強，我們最近都在跟一些廠家密切談溝通。特別是我們的負極材料，對提升充電速度有幫助，如果能夠做出可幾分鐘充滿電的電池，無疑是很好的賣點。”黃學傑説道。

展望未來，中國現在已經是電池第一大生產國，市售電池的技術指標也不低，但行業發展得很快，唯有持續加強材料研發才能使電池產業跟上升級的步伐。目前鋰電團隊研發的這兩種新材料，可望為行業提供下一代電池材料技術，為保持下一代電池技術的先進性助力。

【記者】陳啓亮

【圖片/視頻】孫俊傑

【作者】 陳啓亮；孫俊傑

【來源】 南方報業傳媒集團南方+客户端