【導(dǎo)讀】中國鋰離子電池技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院

　　

【正文】 研究機(jī)構(gòu)緊密合作，采用獨(dú)特先進(jìn)的工藝技術(shù)，成功地研發(fā)了目前國內(nèi)處于技術(shù)領(lǐng)先地位的鋰離子動力電池。產(chǎn)品規(guī)格型號齊全，單體電池即覆蓋了從 3Ah 到 40Ah 的多種容量；性能優(yōu)良、安全可靠。電池的各項指標(biāo)均已達(dá)到了國家 “863 項目 ” 的測試規(guī)范要求，并已通過國家法定權(quán)威機(jī) 構(gòu)的各種相關(guān)安全及性能檢驗。 產(chǎn)品 可廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、數(shù)碼攝相機(jī)、電動自行車、電動摩托車、電動工具、礦燈、通迅指揮系統(tǒng)、不間斷電源 /應(yīng)急系統(tǒng)、便攜式電臺、儀器儀表等領(lǐng)域。 （ 16） 深圳德朗能電池有限公司 深圳市德朗能電池有限公司是一家擁有先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備、科學(xué)的經(jīng)營理念、高素質(zhì)的管理隊伍、專業(yè)從事電池以及相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)代企業(yè)。 公司主要從事鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、無繩電話系列充電電池、干電池和充電器的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，并在上海、江門、深圳設(shè)有生產(chǎn)基地。 2021 年，公司推出 “次世代 ”系列民品電池及相關(guān)產(chǎn) 品，兩年來， “次世代 ”產(chǎn)品以先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、嚴(yán)格的質(zhì)量檢測體系和高品質(zhì)的專業(yè)服務(wù)為堅實(shí)后盾，在國內(nèi)各大城市構(gòu)建了強(qiáng)大的行銷網(wǎng)絡(luò)，并迅速樹立起 “次世代 ”品牌的電池專家形象， 2021 年又推出 “德朗 ”品牌，使德朗能的民用電池覆蓋了更廣泛的市場。目前，公司從研發(fā)、制造開始推出技術(shù)含量更高、品牌價值更優(yōu)的產(chǎn)品，并以此為基礎(chǔ)延伸產(chǎn)品的技術(shù)成長方向。 中國 鋰離子電池主要 研究機(jī)構(gòu) 現(xiàn)狀 中國科學(xué)院物理研究所 陳立泉院士 、 黃學(xué)杰 研究員所率領(lǐng)的 研究小組 ， 目前基礎(chǔ)研究集中在納米尺度體相和界面的離子與電子的混合輸運(yùn)研究（納米離子 學(xué)）；離子輸運(yùn)對材料表面，界面和體相晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)的影響；功能納米材料 (納米顆粒、 納米線、納米管、納米薄膜和人工納米結(jié)構(gòu) )的可控制備、表征和物理性質(zhì)以及電化學(xué)特23 性。近年 來 的研究內(nèi)容包括：磷酸鹽材料離子電子輸運(yùn)行為的研究，納米合金，納米炭管， 納米孔硬碳球儲鋰特性 ； 納米氧化物、氟化物和硫化物在異相嵌鋰和脫鋰過程中物相、微結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)的變化 ； 不同類型的納米顆粒與液體電解質(zhì)溶液或聚合物電解質(zhì)的相互作用 ； 儲鋰材料的表面納米包覆層對體材料相變和電化學(xué)性能的影響；稀土納米氧化物中氧離子的傳導(dǎo)特性等。同時，開展對儲 能材料的第一性原理計算和分子動力學(xué)研究、新型快離子導(dǎo)體以及納米復(fù)合功能材料研究。應(yīng)用研究主要集中在新能源器件。包括相關(guān)物理化學(xué)過程，材料設(shè)計、合成，表征及其物理和電化學(xué)性能；器件設(shè)計，控制與優(yōu)化。目前承擔(dān)多項國家級重點(diǎn)項目，鋰離子電池相關(guān)新材料產(chǎn)業(yè)化；高能量，高功率，長壽命，高安全性，寬溫度范圍的高性能鋰離子電池研制與產(chǎn)業(yè)化以及其它新能源器件研發(fā)。 清華大學(xué) 萬春榮 研究員、 姜長印 研究員所率領(lǐng)的研究小組 從 1996 年開始了鋰離子電池及材料的研究與開發(fā)工作。 在 應(yīng)用 基礎(chǔ)研究 方面，開發(fā)了獨(dú)特的控制結(jié)晶工藝，合成了高密 度、高導(dǎo)電性球形 鈷酸鋰（ LiCoO2）、鎳酸鋰（ LiNiO2）、錳酸鋰（ LiMn2O 鎳鈷酸鋰（ ）、鎳鈷錳酸鋰（ LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2） 及磷酸鐵鋰（ LiFePO4） 等 系列正極材料。還提出了一種獨(dú)特的表面修飾技術(shù)，在球形材料的晶粒和二次顆粒表面上均勻地覆上一層無機(jī)導(dǎo)電包覆層，顯著改善了材料的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和安全性。以上研究結(jié)果在國際上均處于領(lǐng)先地位。 另外，在 新型二次電池 PAN硫復(fù)合正極材料 、凝膠電解質(zhì)、合金負(fù)極、金屬鋰負(fù)極及5V 級正極材料方面也都取得了突破性進(jìn)展 。該 研究小組 承擔(dān)了 多項 國家 “863” 和 “ 973” 項目、國家科技攻關(guān)項目 和 科學(xué)基金項目 ， 還在研究成果產(chǎn)業(yè)化方面取得了豐碩成果， 已進(jìn)行 多項橫向科技開發(fā)項目的研究 ，目前正在進(jìn)行動力型LiFePO4鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化 。 清華大學(xué) 邱新平教授 課題組主要研究與電極新材料、 鋰離子電池、醇燃料電池、液流電池和有機(jī)染料敏化太陽能電池相關(guān)的物理化學(xué)原理和技術(shù)方法。該方向強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合，近年來的主要工作包括鋰離子電池正負(fù)極材料的匹配機(jī)制、多孔電極的構(gòu)建與電極反應(yīng)機(jī)理，以及有機(jī)染料敏化太陽能電池的納米結(jié)構(gòu)及其敏化修飾機(jī) 制等。 北京理工大學(xué) 吳鋒教授 研究團(tuán)隊 在化學(xué)電源領(lǐng)域， 如 鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池等24 新型電源領(lǐng)域 進(jìn)行了長期的研究。 將化學(xué)電源作為動力源應(yīng)用于純電動車或混合電動車，因車輛氮氧化合物、碳氧化合物的排放非常低甚至為零，所以這些電源也被稱之為綠色能源。吳鋒教授作為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究（ 973）項目 “ 綠色二次電池新體系相關(guān)基礎(chǔ)研究 ” 的首席科學(xué)家，他敏銳地意識到新課題應(yīng)立足我國在新型儲能材料方面的資源優(yōu)勢與特點(diǎn)，創(chuàng)立具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能綠色二次電池新體系，最終達(dá)到提升我國在該領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，推動新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)快 速發(fā)展的目的。目前，該項目已經(jīng)在綠色二次電池的新體系構(gòu)造原理、可控電池反應(yīng)原理、現(xiàn)場譜學(xué)、電化學(xué)研究方法、電池新材料設(shè)計方法和制備技術(shù)等研究中已取得了一些重要進(jìn)展，為 中 國綠色二次電池領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展奠定了一定的理論基礎(chǔ)。 該研究團(tuán)隊還 研究了以 23氟甲基磺酸酰亞胺鋰 (LiTFSI)等鋰鹽為基，與尿素及其衍生物、乙酰胺和乙烯脲等有機(jī)物所形成的新型室溫熔融鹽，熱學(xué)和電化學(xué)性能的研究結(jié)果表明，體系具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能 。含鋰的硫化物無機(jī)固體電解質(zhì)具有高的離子電導(dǎo)率，寬的 電化學(xué)窗口和不燃等特點(diǎn)，可大大改善電 池的安全性，但主要問題是改善電極材料和電解質(zhì)之間的固相界面 。 北京工業(yè)大學(xué) 夏定國教授 團(tuán)隊 提 出第二相與基體相結(jié)構(gòu)共格對嵌入化合物的結(jié)構(gòu)性能影響關(guān)系，采用濕化學(xué)法制備出性能優(yōu)異的尖晶石錳酸鋰。提出梯度成份對相變可逆性的影響機(jī)理，合成出具有良好電化學(xué)性能的鎳鈷酸鋰，開發(fā)出相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備，用于工廠生產(chǎn)，顯著降低成本，取得良好的社會及經(jīng)濟(jì)效益， 此項工作開辟了提高嵌入式金屬氧化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性新的研究方向，同時深化了對金屬氧化物電極的充放電機(jī)理的研究，研究成果被同行認(rèn)為非常重要，發(fā)表在無機(jī)化學(xué)學(xué)報，化學(xué)學(xué)報等雜志，兩項發(fā) 明專利授權(quán)， 2021 年 1 月被聘為國家自然科學(xué)基金委員會無機(jī)非金屬材料學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究組成員， 2021 年在中國材料研究學(xué)會作《新能源材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展》報告，收入 20212021 材料科學(xué)學(xué)科發(fā)展報告。 由于市場化的正極材料 LiCoO2容量低、成本高，因而相對容量較高、價格低廉的 LiNiO2 引起了科研工作者的重視，該材料的主要問題是化學(xué)計量比的LiNiO2 難以合成，材料的可逆容量低，循環(huán)性差。 他們 創(chuàng)造性地提出了熱解包覆制備鋰離子電池梯度材料 LiNi1y CoyO2。 采用球鎳作為前驅(qū)體，在其表面包覆25 熱解制備表 面修飾層，使得表面與基體結(jié)合良好，形成鈷成份梯度變化材料LiNi1yCoyO2， 獲得了優(yōu)異的電化學(xué)性能， 可逆充放電比容量達(dá) 180mAh/g， 是迄今同類電極的最佳水平之一，同時開發(fā)出相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備，轉(zhuǎn)化到企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)。采用 XAFS 技術(shù)，用非原位 XRD 和原位 XAFS 研究了梯度 過程的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)充電過程中 Ni 首先響應(yīng)脫鋰引起的局域結(jié)構(gòu)變化，而 Co原子在充電電壓達(dá)到 后才參與反應(yīng)。由于 CoO 配位鍵于較高電壓參與反應(yīng)并且鍵長減小幅度較小，使得 Co 原子在 的重要角色，因而表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能。 引入摻雜原子 Al、 Co 和 Mn 使得 NiO6八面體畸變減弱，通過 CoO 配位調(diào)制 NiO 配位，提高了第一殼層的局域?qū)ΨQ性，改善材料的電化學(xué)性能。 上海交通大學(xué) 馬紫峰 教授 等發(fā)明了一種符合原子經(jīng)濟(jì)性的 LiFePO4正極材料合成 方法 ， 突破了美國 Valance 的技術(shù)路線 ， 通過結(jié)合化工過程開發(fā)完成 LiFePO4正極材料中試路線開發(fā) ， 同時還研究出多種 LiFePO4正極材料合成新途徑 ， 得到國際同行認(rèn)可。在負(fù)極材料研究領(lǐng)域， 上海交通大學(xué) 楊軍等的 Sn 基修飾負(fù) 極材料研究在國際上有很大影響 , 該小組還設(shè)計和研制了新型二次電池硫基復(fù)合正極材料，使硫的比容量和循環(huán)壽命方面得到了突破，研究成果已發(fā)表在 Advanced Materials 等重要的學(xué)術(shù)刊物上，并取得了發(fā)明專利。 復(fù)旦大學(xué) 吳宇平 教授 研究組在材料方面的工作取得了優(yōu)良的產(chǎn)業(yè)化成果 ， 應(yīng)邀在國際著名材料刊物《材料科學(xué)進(jìn)展》 (2021 年影響因子為 )發(fā)表 研究成果 ， 他們研制的核 /殼結(jié)構(gòu)等新型復(fù)合負(fù)極材料也有新的突破。 為提高電池的安全性 , 采用水溶液電解質(zhì)也認(rèn)為是一個有效的途徑。國際著名鋰電池專家 在1994 年 提出了水溶液電解質(zhì)的可充鋰電池體系 ，前景看好，但是由于材料相容性等問題沒有突破，最近，吳宇平研究組在此基礎(chǔ)上發(fā)展了更新的材料體系，取得重要進(jìn)展 。另外， 復(fù)旦大學(xué)在自主建立的中試線上，已經(jīng)研制出 13Ah 的鋰離子電池， 能量 密度超過了 180Wh/kg，超過 USABC 規(guī)定的近期 150 Wh/kg 的 指標(biāo)。復(fù)旦大學(xué) 夏永姚 教授 課題組 在 全固態(tài)和半固態(tài) 電解質(zhì) 方面開展了卓有成效的工作， 提高固體聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率是關(guān)鍵，一個主要改進(jìn)方法是加入大量有機(jī)溶劑形成凝膠，鋰離子則在液體小分子的協(xié)助下遷移要比聚合物鏈段的熱運(yùn)動快得26 多，所以這類凝膠電解質(zhì)的常溫電導(dǎo)率可達(dá) 103 S/cm。 另一個切實(shí)有效的辦法是摻雜無機(jī)納米粒子 。 夏永姚課題組采用共價鍵方法把 PEO 小分子修飾到 SnOTiO ZnO 納米粒子的表面。這種材料自身可以溶解鋰鹽形成穩(wěn)定的凝膠電解質(zhì)，電導(dǎo)率在 104 S/cm 以 上，并且有良好的機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性。 離子液體是近年來出現(xiàn)的一種新型電解質(zhì)，它由陰、陽離子所構(gòu)成，在室溫附近呈液態(tài)，具有電導(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬 (＞ 4 V)、不揮發(fā)、不燃燒、熱穩(wěn)定性能好等特性，作為電解液可起到溶劑與電解質(zhì)的雙重作用。 廈門大學(xué) 楊勇 教授 課題組 在聚陰離子型正極材料方面開展了大量工作，并取得重大進(jìn)展。 近年來，磷酸鹽系列正極材料，包括正交橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰（ LiFePO4）、三斜結(jié)構(gòu)的磷酸釩鋰（ Li3V2(PO4)3）、磷酸釩氧鋰（ LiVOPO4）、氟磷酸釩鋰（ LiVPO4F）及其衍生物材料已顯現(xiàn)出其在成本、高溫性能、安全性方面的突出優(yōu)勢，可望成為高安全性、低成本動力型電池理想的正極材料。 最近 ，基于多電子交換的硅酸鹽系列正極（如 Li2MSiO4）開始得到人們的重視， 通過采用合適的溶膠 凝膠和碳合成路線、合成了一系列硅酸鹽正極材料，實(shí)現(xiàn)了 Li2MnSiO4， Li2MnxFe1xSiO4的多電子的交換（＞ )， 材料首次可逆容量達(dá)到 217mAh/g，有關(guān)工作得到國際 電池材料 權(quán)威專家 M. Armand 的好評。 其它機(jī)構(gòu) 天津十八所 汪繼強(qiáng)教授等，該研究所是政府認(rèn)證的鋰離子電池權(quán)威決策機(jī)構(gòu)。 天津大學(xué) 唐致遠(yuǎn)教授 主要研究方向：應(yīng)用電化學(xué)主要研究課題：鉛酸蓄電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、鎳氫電池和電化學(xué)電容器及其相關(guān)材料，金屬電沉積 。 中科院上海硅酸鹽所 溫兆銀等通過第二相復(fù)合及其合成方法的創(chuàng)新，對多種正負(fù)極材料進(jìn)行改性，所獲得鈷酸鋰、錳酸 鋰、鈦酸鋰等的復(fù)合材料在高達(dá)10C 的倍率下保持了很好的容量穩(wěn)定性 。 武漢大學(xué) 楊漢西教授等均開展了長期的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，已經(jīng)發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文 100 多篇，得到國際同行充分肯定。 二 、中國 鋰離子電池 發(fā)展動態(tài) 27 1. 國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 （ 20212020） （ 1） 發(fā)展 總 目標(biāo) 到 2020 年，我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強(qiáng)，為全面建設(shè)小康社會提供強(qiáng)有力的支撐；基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究綜合實(shí)力顯著增強(qiáng)，取得一批在世界具有重大影響的科學(xué)技 術(shù)成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀(jì)中葉成為世界科技強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)。 經(jīng)過 15 年的努力，在我國科學(xué)技術(shù)的若干重要方面實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：一是掌握一批事關(guān)國家競爭力的裝備制造業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，制造業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。二是農(nóng)業(yè)科技整體實(shí)力進(jìn)入世界前列，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提高，有效保障國家食物安全。三是能源開發(fā)、節(jié)能技術(shù)和清潔能源技術(shù)取得突破，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗指標(biāo)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。四是在重點(diǎn)行業(yè)和重點(diǎn)城市建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)的技術(shù)發(fā)展模式，為建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型 社會提供科技支持。五是重大疾病防治水平顯著提高，艾滋病、肝炎等重大疾病得到遏制，新藥創(chuàng)制和關(guān)鍵醫(yī)療器械研制取得突破，具備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)能力。六是國防科技基本滿足現(xiàn)代武器裝備自主研制和信息化建設(shè)的需要，為維護(hù)國家安全提供保障。七是涌現(xiàn)出一批具有世界水平的科學(xué)家和研究團(tuán)隊，在科學(xué)發(fā)展的主流方向上取得一批具有重大影響的創(chuàng)新成果，信息、生物、材料和航天等領(lǐng)域的前沿技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。八是建成若干世界一流的科研院所和大學(xué)以及具有國際競爭力的企業(yè)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，形成比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。 到 2020 年， 全社會研究開發(fā)投入占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重提高到 ％以上，力爭科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率達(dá)到 60％以上，對外技術(shù)依存度降低到 30％以下，本國人發(fā)明專利年度授權(quán)量和國際科學(xué)論文被引用數(shù)均進(jìn)入世界前 5 位。 （ 2） 總體部署 未來 15 年，