锂离子电池自1991年进入市场以来，已经彻底改变了人们的生活，为无线通讯和向非化石燃料的社会发展奠定了技术基础，为人类带来了巨大的社会效益。

随着新能源汽车的迅速发展，锂离子电池的主要应用市场已逐渐由消费电子转向动力电池领域，随之迎来的是更加艰巨的技术挑战。作为新能源汽车的核心部件，动力电池的安全性、能量密度、功率密度、寿命、生产成本等十分关键。
如何进一步提升新能源汽车续航里程？第三代动力电池有哪些优势？在由新材料在线^®、寻材问料^®、有材^®、新材料企业家成长营共同举办的“百大名师系列在线课程”上，中科院物理研究所黄学杰研究员围绕《基于关键材料变革的动力电池迭代创新》的主题，就动力电池发展历程、第3代动力电池、第3.5代动力电池及全固态动力电池的研发进展等做了清晰的介绍，并展示了团队相关的研究成果，做了直播演讲。

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动力电池是交通“以电代油”转型的关键支撑

“以电代油”成为交通领域不可逆的趋势。2020年9月，我国提出“双碳”目标，即力争2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”。“双碳”的目标任务艰巨，我国汽车产业转型升级迫在眉睫。

黄学杰表示，以汽车碳排放量为主体的道路交通年碳排放量已超7亿吨，约占全国碳排放总量的8%。以纯电动车和氢燃料电池车为主的能源动力转型是全球汽车产业转型升级的主要方向，也是全球汽车产业实现“碳中和”的主要途径。
据介绍，我国新能源汽车产业已跻身世界前列。“数据显示，2021年，中国新能源汽车渗透率已超过10%。预计2025-2030年，中国新能源汽车渗透率将达到20%-50%。”
黄学杰表示，作为新能源汽车的“心脏”，动力电池的市场需求将随着新能源汽车的增长而增长。2025年，全球动力电池需求量预计约2TWh，市场规模将超万亿元。
02

一代正极材料推动一代动力电池技术发展

动力电池的迭代创新往往基于关键材料变革。

提及锂离子动力电池的发展史，黄学杰介绍道，前两代电池的负极材料都是石墨负极材料，性能差异主要体现在正极材料。
第一代锂离子动力电池的正极材料为锰酸锂（LiMn₂O4），具有成本和安全性优势，但是电池比能量（120-140Wh/kg）低。因此，锰酸锂至今大量应用于电动自行车。
第二代锂离子动力电池包括磷酸铁锂电池和三元锂电池，正极材料分别为磷酸铁锂和三元（镍钴锰或镍钴铝氧化物）材料。磷酸铁锂电池具备安全性与成本方面的优势，但是比能量（150-180Wh/kg）较低；而三元锂电池比能量（210-270Wh/kg）较高，但是成本也高，且安全性还需进一步提升。
黄学杰简要介绍了团队早期在磷酸铁锂电池方面的技术研发及其市场应用情况。
“我们团队2006年开发的磷酸铁锂电池经法国电力公司两年的测试验证，具有6000次以上的循环寿命。2011~2012年我们接到法国共享租车公司的订单，共计售出两千多辆。令人欣慰的是，这批电动汽车至今仍未更换过电池，且仍运行稳定。”黄学杰表示。
当前，人们对新能源车续航里程的期望越来越高。
为了满足续航里程需求，多种技术路线相继登台。其中，典型代表为三元锂电池，锂离子电池三元正极材料（LiNixCoyMnzO₂）得益于钴、镍、锰三元协同效应，材料的比容量高，电池具有高能量密度的优点，能够支撑电动汽车实现更长的续航里程。
“但是当前电动汽车续航里程仍然无法满足人们的期望，因此进一步提升电池的能量密度仍然是新一代电动汽车的突破口。”黄学杰指出。

03

下一代动力电池发力点：小体积、大容量、低成本

“动力电池包已经随着技术的进步变轻了，目前的主要矛盾是如何在同等体积条件下储存更多的能量。”黄学杰表示，如同大多数消费者并不在意手机的重量是否增加了10克，相反，更加在意手机的厚度是否增加了，消费者对电动汽车的要求亦是如此。

据介绍，黄学杰团队研发的第三代动力电池（5V尖晶石镍锰动力电池）与今天最主流的动力电池相比在能量密度和成本等方面均具有较大优势。同等体积时，电池储存的能量比磷酸铁锂电池提升50%，每瓦时的成本还低约20%，低温工作性能更优，安全性好。镍锰动力电池的正极材料采用镍锰酸锂，每公斤碳酸锂制造的电池储存能力比现有动力电池高40~60%，该材料具有无钴、省锂、低镍、高锰等特点，对资源的依赖度大大降低了。
“除此之外，团队也在同步开展国家重点研发项目—第3.5代高能量密度动力电池技术和第4代全固态动力电池的研发工作。”黄学杰说。
黄学杰表示，第3.5代动力电池还是锂离子电池，有高镍正极和合金化负极加持，能量密度更高，是针对高端乘用车应用要求研发的1000Wh/L动力电池技术。第4代全固态动力电池不同于现有电池体系，是一项革命性技术。
从原理上看，全固态电池需要采用新材料、新机制，转化反应正极材料比能量将达到600mAh/g以上；从结构上看，全固态电池也将在结构形态方面发生变革，采用高电压单体设计，内部叠层串联为高电压电池；从制造技术上看，全固态电池或将实行一体化制造和定制化生产。
“第四代动力电池的重点是减重，比能量将提升至600Wh/kg，可能用于飞行器，还是一个需要很多人为之奋斗的目标。”黄学杰最后说道。
提问环节：问题：请问磷酸铁锂电池未来发展和需求如何？现在各地产能项目建设，是否供过于求？
黄学杰：我建议大家谨慎扩产磷酸铁锂材料和电池。磷酸铁锂电池在动力领域的优势是暂时的，如碳酸锂价格不能大幅度降下来，其在储能领域也将面临与钠离子电池相竞争的压力。
问题：如何解决第3.5代电池中合金负极循环粉化问题？
黄学杰：科研界为解决合金负极问题想了很多办法，其中一种是让它自己先“粉身碎骨”，碎到无法更碎，即纳米化。但是它还会出现导电、活性下降等问题。更加合理的处理方式是将活性材料纳米化，有效组织起来形成结构化电极。
问题：请问固态电池大概何时能够成熟并量产？何时能够大规模应用？
黄学杰：半固态电池预计近些年能有进展。全固态电池保守估计会在2030年前后才有可能实现量产。
问题：请问从工艺设备的角度提升电池密度和寿命有没有研究价值？
黄学杰：非常有价值。新的材料和电池结构设计出来后，往往需要花费多年时间与工艺设备磨合。从工艺设备的角度提升电池性能，同时对降低电池的成本也有很大的帮助。