發(fā)展下一代高能量密度動力鋰電池
——變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦長續(xù)航動力鋰電池項目研究進(jìn)展

李 泓 鄭杰允

中國科學(xué)院物理研究所長續(xù)航動力鋰電池項目組 北京 100190

發(fā)展下一代高能量密度動力鋰電池
——變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦長續(xù)航動力鋰電池項目研究進(jìn)展

李 泓 鄭杰允

中國科學(xué)院物理研究所長續(xù)航動力鋰電池項目組 北京 100190

提高動力電池能量密度將延長電動汽車?yán)m(xù)航里程，對發(fā)展電動汽車技術(shù)具有重要意義。中科院在2013年底部署了戰(zhàn)略性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，旨在集中中科院優(yōu)勢單位，通過納米技術(shù)研發(fā)與突破，積極探索第三代鋰離子電池、固態(tài)鋰電池、鋰-硫電池和鋰-空氣電池等電池體系。文章分析了動力鋰電池研究領(lǐng)域的國家需求，概述了國內(nèi)外動力鋰電池的研發(fā)現(xiàn)狀，同時介紹了“長續(xù)航動力鋰電池”項目的技術(shù)進(jìn)展情況與管理實施情況。

動力鋰電池，高能量密度，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.09.018

動力電池是電動汽車驅(qū)動能量的來源，直接關(guān)系到電動汽車的續(xù)航里程、安全性等問題，是發(fā)展電動汽車所需關(guān)注的核心部件之一。在環(huán)境污染、二氧化碳排放日益受關(guān)注的今天，推廣電動汽車被認(rèn)為能有效緩解上述問題，動力電池因而成為電池領(lǐng)域研究的熱點。在諸多電池體系中，鋰二次電池（以下簡稱“鋰電池”）因具有比能量密度高、自放電率低、服役壽命長等綜合性能的優(yōu)勢占據(jù)著目前電動汽車用電池的主要市場份額。而發(fā)展更高性能的鋰電池是行業(yè)不斷追求的目標(biāo)。

鋰電池的發(fā)展最早可追溯到 20 世紀(jì)70年代，首個鋰電池由硫化鈦為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，未大規(guī)模應(yīng)用。經(jīng)過科學(xué)家的努力，發(fā)現(xiàn)了一系列性能較優(yōu)的正負(fù)極材料，并克服了多個科學(xué)及工程技術(shù)問題，最終由日本索尼公司在1991年成功將其商業(yè)化。之后鋰電池憑借其性能優(yōu)勢迅速在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電動工具、電動汽車、國防等領(lǐng)域使用。

鋰電池領(lǐng)域的巨大發(fā)展前景吸引了世界各國的廣泛關(guān)注。美國、日本、歐洲以及中國等分別在鋰電池領(lǐng)域布局了相關(guān)研發(fā)計劃及項目，旨在發(fā)展鋰電池，占領(lǐng)鋰電池技術(shù)制高點。也正是在各國政府的重視與支持下，鋰電池研究取得了持續(xù)發(fā)展，并在人們生活中起到越來越重要的作用。

1 國家戰(zhàn)略需求

能源是國民經(jīng)濟(jì)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類賴以生存的基本條件。作為發(fā)展中大國，我國對能源的需求日益旺盛。建設(shè)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、高效、安全的能源體系，對于經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。大力發(fā)展電動汽車，既是有效應(yīng)對能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，實現(xiàn)中國汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的重要舉措。根據(jù)我國制定的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2011—2020）》，純電動汽車、混合動力汽車是未來發(fā)展的重要方向，動力電池為其中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。2015年，中國政府在《中國制造2025》提出“節(jié)能與新能源汽車”作為重點發(fā)展領(lǐng)域，建議加速開發(fā)下一代鋰離子動力電池和新體系動力電池，并提出了動力電池單體能量密度中期達(dá)300Wh/kg，遠(yuǎn)期達(dá)400Wh/kg的目標(biāo)[2]。目前動力電池性能距離純電動汽車及混合動力汽車對能量密度、充電速率、循環(huán)壽命、成本、安全性等方面要求還有顯著差距。除此之外，戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)如先進(jìn)消費(fèi)電子、軌道交通、智能電網(wǎng)、分布式可再生能源、航空航天、機(jī)器人和國家安全等領(lǐng)域，迫切需要先進(jìn)儲能技術(shù)的支持。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前鋰電池主要應(yīng)用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品，已開始出現(xiàn)在電動工具、電動自行車、混合動力汽車、純電動汽車、小型電站儲能、應(yīng)急后備電源和國家安全等領(lǐng)域，未來還可能在可再生能源配套儲能、離網(wǎng)家庭儲能、航空航天、醫(yī)療電子以及其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。自1991年商業(yè)化開始，經(jīng)過20多年的努力，目前高能量密度鋰電池的能量密度從90Wh/kg提高至250Wh/ kg。過去20年電池能量密度每年提升7%左右，主要是通過技術(shù)進(jìn)步，不斷增加活性物質(zhì)在電池中的占有比例來實現(xiàn)。高功率密度動力電池目前正極采用LiMn2O4、 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（或者其他比例的三元正極材料）、LiFePO4，負(fù)極采用石墨。單體電芯的能量密度在120Wh/ kg—250Wh/kg，功率密度最高可達(dá) 4 000W/kg。實際應(yīng)用時電池組的能量密度可以達(dá)到80Wh/kg—200Wh/kg，在所有儲能體系中仍然是最高的。由于消費(fèi)電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，純電動汽車對延長續(xù)航里程的要求，迫切希望大幅度提升電池的能量密度。但在有限的電池空間填入更多的活性儲能物質(zhì)，進(jìn)一步減少非活性物質(zhì)的比例，從技術(shù)層面，已達(dá)到瓶頸。研發(fā)具有更高能量密度的新儲能材料體系，是當(dāng)今高能量密度電池發(fā)展面臨的必然選擇。

通過系統(tǒng)的熱力學(xué)計算，鋰電池體系在所有儲能電池體系中具有最高的理論能量密度。通過過去10年的研究，目前在高能量密度鋰電池方面，高容量Si負(fù)極為首選負(fù)極材料，高容量富鋰相層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、高電壓尖晶石Ni-Mn系材料、層狀高鎳三元（Ni-Co-Mn）系材料為較有希望的正極材料。理論預(yù)測，采用這些材料體系的動力鋰電池的能量密度有望提升到200Wh/kg—300Wh/kg。雖然上述這些高能量密度材料已被廣泛研究，但目前在滿足所有指標(biāo)要求方面仍然存在一些技術(shù)障礙，特別是循環(huán)性、倍率特性、充放電效率、安全性、體積變化。由于上述電池體系與現(xiàn)有成熟體系有一定相似性，成熟度相對較高，其研發(fā)可借鑒前期研究鋰電池的經(jīng)驗。

為了發(fā)展純電動汽車，期望電池能量密度最終達(dá)到500Wh/kg以上。按照過去電池能量密度提升的速度（～7%/年），2060年左右才能達(dá)到此目標(biāo)，顯然需要加快研發(fā)新的變革性儲能技術(shù)。通過理論計算，存在著一些化學(xué)儲能體系，其理論能量密度將遠(yuǎn)高于現(xiàn)有成熟體系，如鋰硫電池與鋰空氣電池。這兩種電池體系都已經(jīng)歷了較長的研究歷史，循環(huán)性較差的問題一直比較突出。雖然通過電極結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解液材料的發(fā)展等，電池性能方面已取得了長足的進(jìn)步，然而和鋰電池從材料到電芯的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟度相比，這兩種新電池體系離商業(yè)化應(yīng)用還存在較大的距離，需要長期的研發(fā)，這也是未來儲能電池研究競爭的焦點之一。此外，安全性是電池使用過程最重要也是最被關(guān)心的問題，目前高質(zhì)量的手機(jī)電池出現(xiàn)安全問題的幾率已經(jīng)降至千萬分之一，然而動力電池將多個（特斯拉電動車的電池數(shù)為7 000節(jié)以上）單體電池組合后使用，其安全系數(shù)也將相應(yīng)下降，動力電池一旦出現(xiàn)熱失控，造成的破壞力巨大，這已經(jīng)有多起慘痛的教訓(xùn)。發(fā)展極高安全性的動力鋰電池是動力電池大規(guī)模應(yīng)用的先決條件。含液體電解質(zhì)的鋰電池中放熱反應(yīng)涉及電解液在正極的氧化反應(yīng)、在負(fù)極的還原反應(yīng)、正極與負(fù)極的熱分解、電解液熱分解、內(nèi)部微短路以及鋰析出導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)等。對于不同材料體系，這些反應(yīng)的發(fā)生條件、放熱量、放熱速率也不一樣，同時還與非活性材料的散熱能力、穩(wěn)定性有關(guān)。電池安全性可以通過智能電源管理與保護(hù)電路來提高，但由于導(dǎo)致安全性的因素來自電芯內(nèi)部，因此從材料特別是電解質(zhì)入手是根本的解決之道。添加阻燃劑、采用阻燃或不燃有機(jī)溶劑、離子液體或混合離子液體的辦法，都具有一定的效果，是短期內(nèi)較好的選擇，但并不能從根本上消除隱患。因此，采用聚合物電解質(zhì)或無機(jī)電解質(zhì)，發(fā)展全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池是最終解決能量型動力電池安全性的根本辦法。

3 “長續(xù)航動力鋰電池”項目進(jìn)展介紹

“長續(xù)航動力鋰電池”項目依托于中科院“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”戰(zhàn)略性納米先導(dǎo)科技專項。旨在研發(fā)高能量密度、高安全性鋰電池以提高電動汽車?yán)m(xù)航里程，同時建立完善的鋰電池劣化失效分析平臺（圖 1）。根據(jù)上述宗旨，項目安排了 3 個研究課題：高能量密度鋰離子電池、下一代金屬鋰電池和高水平失效分析平臺。其中高能量密度鋰離子電池課題研究參照現(xiàn)有鋰電池研發(fā)生產(chǎn)工藝，采用新型關(guān)鍵材料，使模塊能量密度達(dá)200Wh/kg，綜合性能優(yōu)異。研究內(nèi)容包括高容量富鋰正極材料、高電壓LiNi0.5Mn1.5O4材料、硅碳負(fù)極材料、5V高安全性電解液、5V陶瓷涂層隔膜及高性能導(dǎo)電添加劑。項目組通過“動態(tài)測評”集中優(yōu)勢材料，與不同公司合作研發(fā)，最終在蘇州星恒及江西恒動組裝動力電池。在此基礎(chǔ)上，項目組還布局針對2020年應(yīng)用需求的下一代高能量密度高安全性金屬鋰電池，此類電池的共同特點在于采用能量密度更高的金屬鋰作為負(fù)極，分別設(shè)置了鋰硫電池、鋰空電池及固態(tài)電池等研究內(nèi)容，有望將電池模塊能量密度提升至300 Wh/kg，兼具高安全性、長壽命、低自放電特性。此外，針對鋰電池在使用過程中的劣化失效問題，建設(shè)面向用戶的惰性氣氛互聯(lián)互通分析測試平臺和真空互聯(lián)平臺，以滿足動力電池研發(fā)、制造、服役過程中的原位、非原位全分析，提供高效與失效診斷分析。

圖1 長續(xù)航動力鋰電池項目任務(wù)分解圖

3.1 第三代鋰離子電池

日本索尼公司在1991年推出了第一代商業(yè)化鋰離子電池，以石墨為負(fù)極、以鈷酸鋰為正極。然而，由于鈷酸鋰的成本偏高，難以在動力電池領(lǐng)域大規(guī)模普及，所以鈷酸鋰逐漸被磷酸鐵鋰和三元正極所取代，一般這種電池的單體能量密度在130Wh/kg—250 Wh/kg左右。第三代鋰離子電池將現(xiàn)有鋰離子電池的負(fù)極石墨碳材料更換為硅基負(fù)極，單體電池比能量有望達(dá)到300Wh/kg—350Wh/kg。2014年11月日立公司在日本電池討論會，報道了高鎳正極、硅合金負(fù)極的30 Ah鋰離子電池達(dá)到了335Wh/kg，通過進(jìn)一步提高負(fù)極中硅基材料的含量，能量密度可達(dá)350Wh/kg左右。近幾年來，具有放電比容量達(dá)300mAh/g富鋰錳基正極材料的出現(xiàn)，為研制出第三代具有350Wh/kg—400Wh/kg高能量密度鋰電池帶來了曙光。中科院寧波材料技術(shù)與工程所夏永高研究員及其團(tuán)隊[3]聯(lián)合中科院物理所李泓研究員團(tuán)隊以及其他合作者研制了一款軟包鋰離子電池，采用納米硅碳材料作為負(fù)極、富鋰材料作為正極、5V電解液、耐高電壓隔膜，得到單體鋰電池容量為24Ah，其質(zhì)量能量密度達(dá)到 374 Wh/kg，體積能量密度達(dá)到577Wh/L。

此外，項目組在材料研發(fā)方面也取得了重要進(jìn)展，高容量硅負(fù)極材料已與江西紫宸科技有限公司建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，并在企業(yè)建設(shè)中試放大研究基地，已掌握500 kg/ 批次規(guī)?；苽淠芰?，研發(fā)的材料已進(jìn)入企業(yè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈，被送往多家企業(yè)進(jìn)行測試并有望在2017年導(dǎo)入產(chǎn)品；高容量富鋰正極材料已進(jìn)入中試階段，成立了寧波富鋰材料科技有限公司；電解液、隔膜等也已初步解決了在高電壓材料體系中使用的穩(wěn)定性問題，正在進(jìn)行放大集成。

3.2 下一代可充放金屬鋰電池

金屬鋰電池的研發(fā)內(nèi)容包括固體金屬鋰電池、鋰硫電池和鋰空電池[3]。以下將分別敘述其進(jìn)展。

3.2.1 固體金屬鋰電池

從長遠(yuǎn)考慮，雖然鋰離子電池的能量密度有望達(dá)到400Wh/kg,但是采用金屬鋰負(fù)極電池能量密度會更高，而且金屬鋰負(fù)極的使用，有可能采用不含鋰的正極材料，因此電池成本有望顯著下降。需要指出的是，金屬鋰負(fù)極研究已經(jīng)歷時50余年，在非水電解質(zhì)溶液中應(yīng)用時主要面臨的問題是在充放電過程中容易產(chǎn)生鋰枝晶、粉化，導(dǎo)致循環(huán)性下降、內(nèi)部短路、安全性降低，1989年Moli公司就因為可充放金屬鋰電池的安全性而決定永遠(yuǎn)放棄金屬鋰電池。因此，金屬鋰負(fù)極的安全性、循環(huán)性是發(fā)展可充放金屬鋰電池必須認(rèn)真面對的問題。目前看來，基于固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)鋰電池成為解決金屬鋰負(fù)極問題的較有希望的技術(shù)路線。

中科院青島生物能源與過程所崔光磊研究員團(tuán)隊針對聚環(huán)氧乙烷（PEO）室溫離子導(dǎo)電率較低、電位窗口窄的瓶頸問題，從能提高離子電導(dǎo)率的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合離子傳輸機(jī)理與動力學(xué)傳輸?shù)亩喑叨葯C(jī)制，設(shè)計出一款新型固態(tài)聚合物電解質(zhì)，該電解質(zhì)室溫電導(dǎo)率可達(dá)4.3×10-4S/cm，具有較寬的電化學(xué)窗口。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊以“剛?cè)岵?jì)”的理念發(fā)展綜合性能優(yōu)異的復(fù)合聚合物固態(tài)電解質(zhì)，并分別以三元材料和金屬鋰為正負(fù)極，組裝了 8 Ah大容量固態(tài)聚合物鋰電池，能量密度達(dá)240Wh/kg，60oC條件下，0.2C、400次循環(huán)后容量保持率大于86 %。該聚合物固態(tài)電池顯示出了較好的安全性能，經(jīng) 4 次針刺后，固態(tài)鋰電池不起火、不爆炸，這是傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池所無法比擬的。

同時，中科院寧波材料技術(shù)與工程所許曉雄研究員團(tuán)隊采用復(fù)合型無機(jī)材料作為固體電解質(zhì)，分別以過渡金屬氧化物鋰鹽和金屬鋰為正負(fù)極，研制出1Ah— 8Ah系列容量的固態(tài)電池單體。固態(tài)鋰電池單體借助界面潤濕劑的創(chuàng)新方法，有效提升了固態(tài)電池的循環(huán)壽命，該電池單體室溫下的能量密度可達(dá)240Wh/kg，500次循環(huán)后容量保持率大于80%。此外，2 Ah固態(tài)電池單體在90oC溫度、0.5C倍率下都能夠表現(xiàn)出良好的循環(huán)工作穩(wěn)定性，從而清晰地展現(xiàn)了固態(tài)電池在高溫環(huán)境下的安全特征。目前，該團(tuán)隊已研發(fā)出容量為10 Ah的固體電池，其性能正在測試中。

3.2.2 鋰硫電池

中科院大連化學(xué)物理所陳劍研究員團(tuán)隊開發(fā)了納米結(jié)構(gòu)碳硫復(fù)合材料、高硫擔(dān)載量硫正極極片和大容量鋰硫電池技術(shù)。團(tuán)隊研制的額定容量37 Ah的鋰硫電池單體室溫質(zhì)量比能量達(dá)到566Wh/kg，50oC測試質(zhì)量比能量可達(dá)616Wh/kg，并通過了第三方的安全性測試，這也是迄今所見報道的額定容量和能量密度最高的鋰硫電池。同時，該研究團(tuán)隊在鋰硫電池成組技術(shù)方面也取得新進(jìn)展，研制的1kWh鋰硫電池組經(jīng)第三方測試能量密度達(dá)330Wh/kg?，F(xiàn)在鋰硫電池的難點在于循環(huán)次數(shù)還很低，這種高能量密度、大容量的鋰硫電池單體的循環(huán)次數(shù)是20—30次。在實現(xiàn)鋰硫電池大規(guī)模實際應(yīng)用之前，仍需進(jìn)一步攻克電池循環(huán)壽命、功率密度和安全性等技術(shù)瓶頸。

3.2.3 鋰空電池

中科院長春應(yīng)用化學(xué)所張新波研究員團(tuán)隊采用納米孔道結(jié)構(gòu)金屬氧化物/碳復(fù)合材料為正極、表面修飾鋰金屬做負(fù)極，配合自主研發(fā)的空氣管理系統(tǒng)，研制出 5Ah和 51Ah 系列容量的鋰空氣電池單體。團(tuán)隊研制的額定容量 5Ah 的全封裝鋰空氣電池單體室溫質(zhì)量能量密度達(dá)到526 Wh/kg。研制的額定容量 51Ah 的鋰空氣電池模塊，經(jīng)過第三方測試，能量密度達(dá) 360 Wh/kg。目前，鋰空氣電池的難點在于循環(huán)次數(shù)和倍率性能過低，仍需進(jìn)一步攻克放電產(chǎn)物堆積、碳正極及電解液分解、負(fù)極腐蝕等關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)難題。

3.3 高水平分析測試平臺建設(shè)

項目建設(shè)的高水平分析測試平臺主要包括由中科院物理所承擔(dān)建設(shè)的“互聯(lián)互通惰性氣氛材料綜合測試分析平臺”和由中科院蘇州納米所承擔(dān)建設(shè)的Nano-X真空互聯(lián)測試系統(tǒng)中與鋰電池相關(guān)的部分，旨在對鋰電池在使用過程中的失效問題進(jìn)行分析，更加深入理解鋰電池的失效機(jī)理，從而為提高鋰電池性能提供指導(dǎo)。目前互聯(lián)互通惰性氣氛材料綜合測試平臺已完成 I期建設(shè)，將多種鋰電池測試分析設(shè)備通過手套箱或真空轉(zhuǎn)移裝置連接起來（圖 2），達(dá)到對鋰電池材料及電芯在惰性氣氛下進(jìn)行“一站式”、全方位分析。目前已與項目內(nèi)多家研究單位建立合作關(guān)系，同時還承接了國內(nèi)外企業(yè)的測試研發(fā)任務(wù)。

圖2 互聯(lián)互通惰性氣氛材料綜合測試分析平臺示意圖

4 “長續(xù)航動力鋰電池”項目管理方法實施及成效介紹

經(jīng)過多年積累，中科院在電池關(guān)鍵材料及動力電池電芯技術(shù)方面具備了一定的研發(fā)優(yōu)勢，但鋰電池產(chǎn)業(yè)水平與日本、韓國仍存在較大差距。鋰電池系統(tǒng)包含正負(fù)極材料、電解液、隔膜、導(dǎo)電添加劑等多個組成部分，各研究所在科學(xué)、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化方面的積累和經(jīng)驗不盡相同，要確保“長續(xù)航動力鋰電池”項目順利完成，必須明確目標(biāo)與責(zé)任，充分調(diào)動各承擔(dān)單位的積極性。為此，中科院物理所在項目管理過程中在測評、交流合作、經(jīng)費(fèi)分配等方面積極探索，建立了一整套行之有效的動態(tài)測評與調(diào)整管理方法，在同樣經(jīng)費(fèi)的情況下使經(jīng)費(fèi)資源得到高效配置，有力促進(jìn)了項目的研發(fā)進(jìn)程。

4.1 動態(tài)測評管理辦法介紹

項目組將根據(jù)研發(fā)進(jìn)度制定每年的測評規(guī)則，參與單位結(jié)合各自的科研進(jìn)度，為物理所或具有測試資質(zhì)的第三方單位提供樣品進(jìn)行集中測試。測評過程本著公正、公平、統(tǒng)一的原則，對測試中各個環(huán)節(jié)進(jìn)行多種形式的記錄，使測試結(jié)果有據(jù)可查，并為項目篩選出最優(yōu)樣品。最后由測試單位為參與單位出具測試報告，作為其研發(fā)成果的依據(jù)和下一步研發(fā)的參考。根據(jù)測評以及與監(jiān)理組、總體組的討論結(jié)果，能夠滿足年度技術(shù)指標(biāo)要求、綜合性能最優(yōu)、最有希望實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的研發(fā)團(tuán)隊，將負(fù)責(zé)召集下一年該方向的課題或子課題的研究隊伍、制定技術(shù)難點攻關(guān)路線和研發(fā)計劃、擁有80%的經(jīng)費(fèi)支配權(quán)；其余團(tuán)隊，可因某項技術(shù)領(lǐng)先而被課題或子課題負(fù)責(zé)人召集進(jìn)入核心研發(fā)團(tuán)隊，共同分享80%的經(jīng)費(fèi)，或作為培育團(tuán)隊分享20%的經(jīng)費(fèi)并保留參與下一年競爭的機(jī)會（圖 3）。

4.2 動態(tài)測評管理方法的成效

圖3 綜合測評流程圖

（1）以競爭激勵創(chuàng)新。集中測評的目的是激勵創(chuàng)新和內(nèi)部競爭，為集成全院優(yōu)勢力量提供公平測試及相互學(xué)習(xí)的平臺。 “競爭擇優(yōu)”不僅達(dá)到了集中資源、提高資源利用效率的目的，而且使各承擔(dān)單位和團(tuán)隊明確了先導(dǎo)項目的目標(biāo)不是自由探索和發(fā)表不能指導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的文章，而是要突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、產(chǎn)生創(chuàng)新性電池技術(shù)。通過項目組與測評優(yōu)勝單位負(fù)責(zé)人的溝通，大家已經(jīng)認(rèn)識到，在開放平臺上的“競爭”能夠有效激發(fā)各團(tuán)隊的創(chuàng)新潛力和研發(fā)技術(shù)的積極性。

（2）科學(xué)合理配置資源。在項目經(jīng)費(fèi)削減的大背景下，為了使經(jīng)費(fèi)得到更高效的配置，雖然測評最優(yōu)團(tuán)隊將負(fù)責(zé)分配該方向80%的經(jīng)費(fèi)，但支配權(quán)不代表獨(dú)享，任務(wù)負(fù)責(zé)人還需要根據(jù)研發(fā)的實際需求和項目指標(biāo)要求靈活召集合作隊伍和分配經(jīng)費(fèi)，一切以完成任務(wù)、解決瓶頸技術(shù)為目標(biāo)，實現(xiàn)了資源配置與研發(fā)水平、成效的有機(jī)結(jié)合。

（3）促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作。為保證集中測評，各承擔(dān)單位加緊制備和研發(fā)電池材料與電芯。測評也促使承擔(dān)方對其應(yīng)用導(dǎo)向、技術(shù)開發(fā)類項目、在短期內(nèi)提供大量樣品的綜合實力進(jìn)行深入的評估，客觀上加速了各承擔(dān)單位與企業(yè)的密切合作，有力促進(jìn)了從實驗室探索性研發(fā)模式向產(chǎn)學(xué)研密切合作、實現(xiàn)小試到中試產(chǎn)品開發(fā)模式的轉(zhuǎn)變。

（4）材料性能不斷提高。根據(jù)目前國內(nèi)外研發(fā)進(jìn)度和中科院研究進(jìn)展情況，項目組已經(jīng)實施了2014—2016年的動態(tài)測評，允許持續(xù)送樣，測評過程中數(shù)據(jù)對參與單位開放，便于其全方位了解測評進(jìn)程。以2014年的鋰硫電池測評為例，5月1日之前所有單位第一批樣品送達(dá)并開始測量。在測評過程中，結(jié)合多方測試結(jié)果，允許各參與單位對自己的樣品做進(jìn)一步針對性改進(jìn)，各團(tuán)隊在第一次測評后遞交的第二批、第三批樣品技術(shù)指標(biāo)均有不同程度的提高。根據(jù)測評結(jié)果和測評規(guī)則，中科院大連化學(xué)物理所陳劍研究員團(tuán)隊成為此次測評電池性能得分最高單位，因而陳劍研究員成為項目2015年鋰硫電池課題的負(fù)責(zé)人。

（5）產(chǎn)業(yè)化穩(wěn)步推進(jìn)。綜合測評結(jié)果表明，目前鋰離子電池各項材料研究進(jìn)展順利。高容量、高電壓正極材料已完成大部分重要指標(biāo)，正在進(jìn)行材料放大制備，為投產(chǎn)做準(zhǔn)備；硅負(fù)極材料已完成各項年度指標(biāo)，并正在與江西紫宸公司（國內(nèi)負(fù)極第二）合作進(jìn)行中試基地建設(shè)，同時與深圳貝特瑞（國際負(fù)極第一）開展技術(shù)合作；為了加快材料在電池中技術(shù)的應(yīng)用，已與寧德時代新能源科技有限公司、天津力神電池制造有限公司等簽訂合作協(xié)議，加速產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，同時與德國BASF、韓國LG簽署合作協(xié)議；電解液、隔膜在高電壓應(yīng)用、安全性保護(hù)方面已有所突破，并已根據(jù)實際情況重新制定技術(shù)研發(fā)路線并計劃加大經(jīng)費(fèi)投入；所有優(yōu)勢材料將用于集成新型動力電池的研發(fā)。

5 結(jié)語

研發(fā)高能量密度動力電池，提高電動汽車?yán)m(xù)航里程在未來很長時間內(nèi)將是行業(yè)研究的熱點。基于本項目在高能量密度鋰電池的研究進(jìn)展及經(jīng)驗積累，開發(fā)300 Wh/ kg以上的鋰離子電池及鋰電池是可行的。目前國家已經(jīng)頒布了部分“十三五”規(guī)劃指南，部署了一系列鋰電池相關(guān)的科研項目，研究人員應(yīng)抓住機(jī)遇，實現(xiàn)快速發(fā)展。中科院先導(dǎo)專項鋰電池研發(fā)團(tuán)隊采用了大量納米結(jié)構(gòu)的電極材料、隔膜材料、導(dǎo)電添加劑，并在控制界面特性方面采用了多種納米層修飾技術(shù)、電解液添加劑。但需要指出的是，上述研制的新型高能量密度原型電池在循環(huán)性、倍率、高低溫特性、自放電、電池形變、安全性方面、量產(chǎn)技術(shù)方面還需要顯著提高、全面優(yōu)化，仍需大量深入細(xì)致的研究工作。同時，競爭性“動態(tài)測評”方法提高了資料配置效率，加快了任務(wù)研發(fā)進(jìn)度，為項目管理提供了新的思路。

1 工信部, 科技部. 節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2011—2020年）, [2016-7-8]. http： www.zaam.cn/policy/1392703905.html

2“中國制造2025”重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖. [2016-7-8]. http： www. ii.gvr.cn/html/nens/zlxz/201511/33573.html

3 中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項長續(xù)航動力鋰電池項目組.中國科學(xué)院高能量密度鋰電池研究進(jìn)展快報.儲能科學(xué)與技術(shù), 2016, 5(2)： 172-176.

李 泓中科院物理所研究員，北京凝聚態(tài)物理國家實驗室副主任。中科院納米先導(dǎo)專項“長續(xù)航動力鋰電池”項目負(fù)責(zé)人；國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，入選“萬人計劃”領(lǐng)軍人才，國家“863”計劃儲能領(lǐng)域主題專家。主要研究領(lǐng)域包括：高能量密度鋰離子電池，固態(tài)電池，固體離子學(xué)。在國際上首次提出將納米硅可作為鋰離子電池負(fù)極材料，首次提出鋰/二氧化碳可充放電池，解釋了磷酸鐵鋰材料脫嵌鋰過程“階”結(jié)構(gòu)的形成，獲得了硅負(fù)極材料界面膜三維成像等。相關(guān)結(jié)果發(fā)表SCI論文240余篇，論文被他引11 000 余次，SCI的H因子為56；申請專利80余項，已授權(quán) 40 項。E-mail： hli@iphy.ac.cn

Li HongProfessor, Deputy Director of Beijing National Laboratory For Condensed Matter Physics. Professor Li is the chief scientist of project “Next Generation of High Energy Density Lithium Batteries for Electric Vehicle”, this project is attached to the “Strategic Priority Research Program of Industrial Nano-manufacturing Focus” launched by Chinese Academy of Sciences. His main contribution is the purpose of nano-Si anode in 1997 and rechargeable Li/CO2batteries as well as electrochemical agglomeration of nanosized alloy, reversible interfacial lithium storage, staging superstructure in delithiated LiFePO4, 3D SEI structure on Si anode, systematic calculation on theoretical energy densities over 1170 batteries. His current interests are high energy density lithium batteries, solid batteries and fundamental solid state ionic problems and new devices. He has published over 240 papers in peer-reviewed journals with over 11000 times citation and the H-factor is 56. He has filed over 80 patents and 40 of them have been granted. He has delivered over 50 invited talks in international academic conferences. He serves as Principle Editor for Solid State Ionics, editorial board member for Journal of Materiomics, and Energy Storage Science and Technology. E-mail： hli@iphy.ac.cn

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Development of Next Generation of High Energy Density Lithium Batteries for Electric Vehicle

Li Hong Zheng Jieyun
（CAS Research Group on High Energy Density Lithium Batteries for Electric Vehicle Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）

Increasing energy density of battery will dramatically extend the driving range of electric vehicles. Chinese Academy of Sciences (CAS) launched the “Strategic Priority Research Program of Industrial Nano-manufacturing Focus” at the November 15, 2013. In this program, the 3rd generation lithium-ion battery, solid-state metallic lithium battery, lithium-sulphur battery, and lithium-air battery have been investigated. This paper briefly introduces implementation process of this program. As the progress of this program, the CAS research group has carried out a number of achievements, including but not limit to： The mass and volume energy density of 24 Ah Li-ion single cell, with nano-silicon carbon material as negative electrode and lithium-rich material as positive electrode, is achieved as 374 Wh/kg and 577 Wh/ L, respectively. The energy density of 8 Ah solid lithium battery using the polymer solid electrolyte at 60oC is 240 Wh/kg, while the energy density of solid-state lithium battery based on the inorganic ceramic solid electrolyte is also 240 Wh/kg. The energy density of 37 Ah lithiumsulphur battery reaches 566 Wh/kg at room temperature and 616 Wh/kg at 50oC. The energy density of 5 Ah lithium-air battery is 526 Wh/kg. We also introduce a competitive project management method which has been successfully operated from 2014. In addition, this paper outlines the domestic and international status of lithium batteries, analyzes the national strategic demands of the lithium batteries research field in China.

lithium batteries for EV, high energy density, CAS Strategic Priority Research Program

*資助項目：中科院變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項長續(xù)航動力鋰電池（XDA09010000）

修改稿收到日期：2016年8月15日