『导读』9月7日，在2022第四届全球新能源与智能汽车供应链创新大会上，中国科学院物理研究所研究员黄学杰表示，第二代大家都知道磷酸铁锂和三元是目前的主流动力电池，高质量发展需要升级，我会讲铁锂电池的升级型，即5V的尖晶石型镍锰酸锂电池，还有三元的升级型、1000Wh/L的高密度高端动力电池。
9月7日，在2022第四届全球新能源与智能汽车供应链创新大会上，中国科学院物理研究所研究员黄学杰表示，第二代大家都知道磷酸铁锂和三元是目前的主流动力电池，高质量发展需要升级，我会讲铁锂电池的升级型，即5V的尖晶石型镍锰酸锂电池，还有三元的升级型、1000Wh/L的高密度高端动力电池。
以下是中国科学院物理研究所研究员黄学杰的演讲实录：
感谢中国电动汽车百人会的邀请，有机会在这儿来和大家分享基于材料革新的下一代动力电池的情况，因为这是一个命题报告，我将会按照要求把这个下一代电池观点跟大家分享。
主要是介绍第三代电池是什么，第二代大家都知道磷酸铁锂和三元是目前的主流动力电池，高质量发展需要升级，我会讲铁锂电池的升级型，即5V的尖晶石型镍锰酸锂电池，还有三元的升级型、1000Wh/L的高密度高端动力电池。
为什么它们是下一代？这一代我刚才讲的是磷酸铁锂和三元电池，第它们之上的一代是锰酸锂电池，当然现在只能用在两轮车上了，是因为当年的老聆风（Leaf）卖得再好，也只有200多公里的续航里程。今天的铁锂和三元电池基本上解决了电动车里程焦虑问题，所以电动汽车的渗透率很快到了20%以上。
在电动汽车和动力电池的会议上我总会致敬Goodenough教授和Armand教授这两位老先生，一位提出了磷酸铁锂可作为正极材料，一位是在磷酸铁锂上包覆碳，不管因为什么原因，至今磷酸铁锂材料和电池99%都在中国生产，支撑了我们当年从大车、小车同步发展电动车辆的路线，到今天为我国在电动汽车产业，乃至在储能产业奠定了相当的优势。
三元材料电池适用于长里程的电动汽车，大家期待它可变得更长，但是不希望它不安全，也不想接受电池非常之贵得现状，这个时候我们该做些什么？要给它进行升级。升级有两条路线，一条路线是升电压，同时也是降成本的方式。一条路线是升容量，大多数情况下是增成本，但是我考虑三代电池高端的也必须降成本。
对电池产品来说不是说我们提高了5%，提高了10%，就算得上换了一代。我认为一代对一代的改进，如果不是性能倍增，那也应该是50%能量密度的提升，也还要有百分之几十成本的下降，这才能叫代际的变革，否则不是，那同一代里面的渐变优化。
其实今天大家常说的能量密度都是在讲比能量量，就是单位重量电池里面储存的能量，现在做到什么水平呢？三元电池最高做到300Wh/kg，磷酸铁锂电池好的也做到200Wh/kg。
对于今天的电动乘用车，要真正回到谈能量密度即单位体积的能量了，下一代电池重要的指标是能量密度50%以上的提升。这种提升不是说加一点锰，加一点铁锰锂，加一点镍，或者加减一点钴能够做到的，这事要基于材料的变革。铁锂电池是高安全、成本低，对资源的占用率低，我们能不能把铁锂电池代表的普及型电动车辆电池能量密度提高50%，同时让它更安全，成本更低。基础材料就是镍锰酸锂，1公斤碳酸锂来做第一代锰酸锂电池，差不多能做1.7千瓦时，做三元电池电量还少一点，做磷酸铁锂能够做2.1千瓦时，所以磷酸铁锂便宜，不仅仅是铁便宜，碳酸锂每个千瓦时用碳酸锂得也少。但是如果做镍锰酸锂电池，1公斤的碳酸锂能够做2.95千瓦时，这大幅度减少了碳酸锂的用量，对资源利用率是有价值的。当然，还有无钴低镍在分子式上是能够看到的。
挑战是什么呢？必须充电到4.9V，不像铁锂充到3.65V，也不是三元充到4.2V或者4.3V。电压高了自然有更高的能，如用同样的水提高水头可以发出更多的电，但是修三峡大坝的难度比葛洲坝是大幅度增加了，水泥不一样了，砂浆也一样了，石头的要求可能都不一样，这里面要做的改进很多。
今天基于材料技术的进步，解决了正极材料本身上的稳定性问题，它充到4.9V，即使是在55度的情况下，循环性能也胜过今天某典型三元材料。但如同修三峡大坝，光石头好也不行，水泥、砂浆等也得好，粘接剂、导电的添加剂，乃至集流体表面处理，都得要满足这个高压充电的要求，这才能够承受更高的电压。
这件事情做成了，我们就能够用更少的锂来做出单位体积容量增加50%的软包电池，，这样的电池能够循环3000次以上。同时，保持了高安全性能、优越的低温性能，它的低温性能可以跟锰酸锂相媲美，这是也一个重要的性能。
今天在位于珠三角松山湖材料实验室建成的材料中试线和电芯中试线，是在推圆柱形、软包形、方壳形三款电芯，正与同行一起，一起做测试看一看它能不能够成为我们电池车辆的下一电池代。这是我们分别运行的分别位于实验室两个园区两个基地，一个是材料的研发和中试基地，一个是电池的研发和中试基地。
我想接着大家可能会问，三元电池有没有升级版？刚才我讲的镍锰酸锂电池可做到650Wh/L，也比今天的三元动力电池高不了多少，三元如何能把能量密度提升50%呢？即提升到1000Wh/L。2019年开始，科技部在变革性技术专项中布局了一项高体积能量密度的电池项目，。基于材料的变革，不再以Wh/kg作为指标，包括正极材料指标是以Wh/L为单位，不再是以mAh/g作为指标，负极材料是以Ah/L作为指标，也不再以mAh/g作为它的目标，项目正在执行过程中。
已取得什么结果呢？跟大家先汇报一部分。
第一，基于层状的以镍为主的材料，比容量很高，怎么样把它的密度提高，把它做成致密的材料？请看这个材料能量密度已经超过3000Wh/L（相对于金属锂）。第二，要对它进行致密化的处理，因为这样的材料是没法做成单晶的。大家知道，镍811很难做成单晶，镍90几乎不可能做成单晶，而我们的办法，就是把纳米一次离子聚集的多晶做成致密性的二次球材料，做把它稳定下来。当然这个材料技术也用到现状三元体系中。
另外用什么样的办法让负极材料有更高的密度？可以把合金化储锂的材料，比如说硅、锡装到铜的皮囊里面去，这个时候就能够增加它的密度，在维持良好循环性能的情况下，同时保持高密度。之间导电的链接=可用锡线把它串起来，锡是一种比硅的密度高约两倍多的材料，我们这个时候考虑更多的是采用一些高密度的材料，作为它的电极。当然，现在这些阶段性成果也用在今天的二代电池里面，现在也有人在二代电池里面开始用它。该项目目标是出1000Wh/L的动力电池，去年中期做到750Wh/L，今年底大概做到850~900Wh/L，到2024年有望达到1000Wh/L。
这些都不是一家单位能做成的，过去是我们自己努力，现在是邀请同行单位一起努力，所以我们在松山湖建了能源材料与器件的创新工厂，与不少企业同行进行合作，他们都是我们的下一代电池合作伙伴。这种合作机制对整车企业、电池企业、材料企业都是开放的，这个也是作为公共性的材料实验室的一部分对社会开放公共资源的重要尝试，欢迎大家有机会到松山湖来指导，我们一起努力看看能不能够在三代材料突破并走向动力电池产业化的过程中合作做一些事情。我们工厂有专门的服务体系，我们也尽可能提供相应的支持。
