中科院士：锂电池面临四个重大挑战_世界动态

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大家好！谢谢秘书长的介绍。我今天讲的题目是汽车动力电池的挑战和创新发展。我想从动力电池和燃料电池两个方面讲讲挑战性的问题和我们怎么来创新发展。

新能源汽车有几个方面的功能，一个是解决我们对原油的依赖，因为过去三年原油依存度超过70%，这是一个国家的安全底线，所要拓展能源，解决我们对它的依赖。电动车可以解决对石油的依赖，减少排放，高效利用可再生能源。我们一方面生产燃料，比如电解水制氢；另一方面，通过电池驱动新能源车，燃料电池用于大巴士的重卡，动力电池用于小型的车，乘用车为主。我们这些年的发展非常快，这两天大家谈到我国新能源车是发展最快的，现在保有量已经超过1300万辆，预计往后会到1亿辆以上，这是一个很快的发展。燃料电池相对慢一点，现在保有量是13000多辆，但是发展规划还是很快的，到2050年达到10万车辆，发展过程中也制定了一些停产停售燃油车的时间表，用电动车来替代。

在这些年的发展中，特别是高速发展的新能源车，对电池的能量密度、功率密度、安全性、长寿命、低成本等都提出了全方位的要求。我们国家也面临国际的竞争，这些年从日本、美国、英国、欧盟都提出了一些动力电池的国家计划，我们国家在科技部也部署了十三五、十四五相关的重大专项，包含了电池和燃料电池的发展。从这个角度来看，西方还是要加强基础研究，希望在源头上能够进一步布局，抢占制高点。我们国家应该在加强基础研究方面要发力，我特别强调基础研究方面，这样才能从源头上解决科技自立自强，希望能够主导新一代电池的发展。

从现有动力电池挑战来讲，第一就是资源，我们锂的提取有一定的难度，包括镁锂比较高，气候也比较恶劣，虽然我们锂电池的产量世界第一，但是锂的资源70%是进口，这也是一个很大的依赖。另外，如果从能量密度来分析，也接近极限，我们现在很多应用场景，希望有更长的续驶里程。在安全上也是不可避免的，举个例子，比如电动车行使过程中，工况是随时变化的，电压、电流、功率速度都在变化，这个变化给我们的材料和界面带来很多的冲击，就会带来损害，导致事故发生，也是需要解决的。还有一个是使用环境，特别是现在一些深海探测、深空探测，都需要有更好的适应性。需要我们从材料角度、从界面的角度，都要解决一些关键的科学问题，从系统的几个层次来开展相应的技术研究。从新材料、新机制和新体系三个方面来开展原创性的研究，这方面我们有些布局，比如前几年推动的在国家设立重大技术研究的科学计划，经过几年的发展，去年已经立项，今年开始发布指南。

在电池体系里，我们最核心的还是材料，从现在材料到将来的材料，一步一步发展，最核心的是锂金属问题，用锂金属作为负极，高压高比容量材料作为正极，不可避免带来一些安全性的问题，首先是在锂负极的保护方面，通过构建人工SEI膜，最核心的还是要抑制锂枝晶生长，能够找到相应的添加剂，有效的解决问题。

从提升电池的动力性能来看，材料结构非常重要，举个例子，我们对同样的材料，调控层状正极材料的表面结构，强化锂离子传输过程，显著提升锂离子电池的能量密度和功率密度。另外，强化离子电池中“三传”过程，包括锂离子传输通道、电子传输通道、电池热传出等，这些方面都是提升电池安全性性能。

燃料电池其实是一个小型“化工厂”，是非常复杂的，包含了三相界面、四类传输通道。还包括跨尺度、多相界面、多通道传输、多场耦合。这里面有两个方面的问题需要考虑，第一个就是氢气的来源，从成本来看，目前电解水的成本是最高的，杂质比较少，工业上存在大量廉价的重整氢、副产氢，因含有毒化物种，无法使用。因此要发展阳极抗毒化催化剂，我们只让氢气到达反应界面，阻挡其他物质。我们这个方面怎么做？如构筑分子选择性通道，只让氢气能够达到反应位点进行反应，就能够实现有效抗毒化，这是一个方向。另外一个方向，氢氧燃料电池，对催化剂的要求是高催化活性、高稳定性、长寿命，目前只有铂族金属可以用，但铂族金属资源少，价格也是比较昂贵的。当前铂基催化剂被少数几家国际公司所垄断，比如庄信万丰、优美科等等，要适应我国的燃料电池汽车工业的快速发展，研发催化活性和稳定性更高的催化剂并实现商品化应用是关键，希望我国的催化剂产业要跟上，如果不解决这个问题，大规模发展是不可能的。

燃料电池催化剂研究前沿，一是提高铂金属利用率，另一个是开发非贵金属催化剂。目前最有前景的非贵金属催化剂是热解型M/N/C材料，活性目前是最好的，稳定性也是最好的。这有几个方面的关注，活性位点局域电子结构，这个结构是怎样的？活性怎么样？这是一个焦点，我们有更好的调控，得到更好的活性。在这个里面，涉及到三相反应界面，氧气、电子、离子传输，所以传输管理也是非常重要的方面，要通过各方面的构筑。第三就是在原子分子的过程强化，需要加强过程。通过这样的发展，可以不断提升非贵金属催化剂燃料电池功率密度。

最后做一个总结，我们国家的新能源汽车拥有量超过1300万辆，占世界新能源汽车总量的一半以上，在碳达峰、碳中和的目标下，这个发展速度还会更快。这样的需求对于动力电池、燃料电池，提出了越来越高的要求，这是全方位的，对能量密度、功率密度、安全性、使用寿命、极端环境适用性和降低成本等方面都有更高的要求，所以我们在这个方面需要进一步加强技术研究。不光是解决瓶颈卡脖子技术问题，要从源头上来实现超越，从这个方面推进我们国家自立自强的根基，希望能够通过这样的努力，能够主导下一代动力电池、燃料电池的发展，我的报告就到这里，谢谢大家！