陳立泉：中國固態(tài)電池一定會成為領(lǐng)跑者

陳立泉 著名功能材料學(xué)家，中國工程院院士，先進(jìn)電池與材料產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟名譽(yù)理事長。主要從事鋰電池及相關(guān)材料研究，在中國最先研制成功鋰離子電池，解決了鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)、技術(shù)與工程問題，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。近年來，開展了全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、室溫鈉離子電池等研究，為開發(fā)下一代電池奠定了基礎(chǔ)。曾獲國家自然科學(xué)獎一等獎、中科院科技進(jìn)步獎特等獎和二等獎，2007年獲國際電池材料協(xié)會終身成就獎。記者對陳立泉院士進(jìn)行了專訪，以下為專訪實(shí)錄。

問：“我們知道陳院士您主要從事固態(tài)電池研究，您能給我們講一講固態(tài)電池的發(fā)展史嗎？”

陳立泉院士：固態(tài)電池實(shí)際上不是現(xiàn)在才有的概念，在我進(jìn)入到這個領(lǐng)域的時候，就是固態(tài)電池剛起步的時候。1976年，我受中國科學(xué)院的派遣到西德斯圖加特馬普協(xié)會的固體所進(jìn)修，當(dāng)時全所都在做一種材料——氮化鋰，分子式是Li3N。我是學(xué)晶體學(xué)專業(yè)的，從事晶體生長的工作。全所都在研究這個晶體，我就感到奇怪，氮化鋰有什么用？

當(dāng)時的同事告訴我，氮化鋰的用途很大，它是離子導(dǎo)體，可用來制造開汽車的固體電池。這一句話把我吸引住了，我想既然是這樣，為什么不去學(xué)這個？后來經(jīng)過中國科學(xué)院同意，我就改行到固態(tài)電池方向上來。

在德國一共度過了一年零八個月，在這期間，有兩個人對我進(jìn)入到固態(tài)電池研究領(lǐng)域起了非常大的作用，一位是從斯坦福大學(xué)去固體所學(xué)術(shù)休假的R.Huggins教授，一位是剛在他實(shí)驗(yàn)室做完博士后的W.Weppne博士。

所以，1976年我就已經(jīng)進(jìn)入到固態(tài)電池領(lǐng)域了，在1978年回國后，我立即向中國科學(xué)院以及科技部提交報(bào)告，請求國家關(guān)注、重視固體電解質(zhì)材料領(lǐng)域。后來，中國科學(xué)院連續(xù)三個五年計(jì)劃里，固態(tài)電池都作為一個重點(diǎn)課題。

在后來實(shí)行的863計(jì)劃，固態(tài)電池也在其中。所以就固態(tài)電池來說，中國人起步時間并不比國外晚，我們在這方面是有一定基礎(chǔ)的。

問：新能源汽車現(xiàn)在步入發(fā)展期，您覺得新能源汽車目前存在什么問題？

陳立泉院士：我認(rèn)為新能源汽車快速發(fā)展有兩個問題，一個是續(xù)航里程，一個是安全。現(xiàn)在無論是電動汽車還是儲能，鋰離子電池都存在一個安全問題：液體電解質(zhì)的可燃性。所以無論儲能或電動汽車，想要安全首先要解決液體電解質(zhì)的可燃問題。

另外從續(xù)航的角度來講，能量密度要提高，才能解決電動汽車的續(xù)航里程問題。有人說續(xù)航里程長不節(jié)能，我認(rèn)為這句話是片面的。這句話適用于電池能量密度不高的情況。

舉一個形象的例子，如果電池的能量密度是100Wh/kg，續(xù)航里程為500公里，自然會裝的多一些。電池裝的多，整車的重量就增加了，重量增加摩擦力就增加，這肯定是不節(jié)能的。但如果把能量密度，從100Wh/kg提高到300Wh/kg，同樣開500公里，只需要之前1/3的電池就可以了。

但能量密度想要提高，還是有很多問題存在。現(xiàn)有的鋰離子電池，只能是正極用高鎳的三元材料，負(fù)極用硅碳負(fù)極，這個做300Wh/kg應(yīng)該是沒問題的，如果要想進(jìn)一步再提高到500Wh/kg甚至更高的水平，就很吃力了。所以目前來看，現(xiàn)有的鋰離子電池面對的挑戰(zhàn)還是不小的。

問：“您覺得如果固態(tài)電池用在新能源汽車上，會把安全提高到最高嗎？”

陳立泉院士：我覺得應(yīng)該會，固態(tài)電池的電解質(zhì)是固體材料，兩個電極正負(fù)極都是固體材料，它沒有燃燒的問題，也就沒有爆炸的問題。

但是不是金屬鋰做負(fù)極就那么安全？百分百的不會出問題，也很難說。因?yàn)殇嚤旧硎莻€比較活潑的金屬，要解決固態(tài)電池的一些問題，還是需要投入時間探索和研究，比如“枝晶生長”的現(xiàn)象。

所謂枝晶就是充放電的時候，充電時部分鋰變成離子通過電解質(zhì)跟正極反應(yīng)，放電的時候這些鋰離子再回去，沉積在金屬鋰的表面，我們知道沉積理想的狀態(tài)是均勻平行的。但電池是一個大的表面，如果電場很均勻，沉積自然很均勻，一旦電場不均勻，或熱量分布不均，可能造成某些部分凸起來。一旦發(fā)生凸起，越向外凸的部分就越容易沉積，這樣逐漸循環(huán)，生長出來的枝狀晶體就是枝晶。

枝晶的產(chǎn)生，有可能把固體電解質(zhì)穿透。穿透固體電解質(zhì)，就會跟正極發(fā)生短路，這可能也會有安全問題的存在。但由于固態(tài)電池沒有液體電解質(zhì)，不會燃燒，也就不會起高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)。

現(xiàn)在的液體電解質(zhì)，只要發(fā)生短路或其他事故，正負(fù)極一碰，溫度就會迅速升高。溫度升高的話，會發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，就會出現(xiàn)很多問題，甚至?xí)a(chǎn)生一些原有系統(tǒng)中沒有的問題，可能伴有劇毒。

固體電解質(zhì)雖然有這方面的好處，但不能說一點(diǎn)問題沒有，如何不讓固態(tài)電池產(chǎn)生枝晶，是目前大家都在研究的事情。

問：您之前發(fā)表過題為“中國鋰電如何突圍”的演講，現(xiàn)在中國鋰電突圍了嗎？

陳立泉院士：早在2010年，我在北京的一次鋰電行業(yè)的論壇上談到中國鋰電如何突圍。當(dāng)時我展示了世界市場占有率的曲線變化情況，日本本來是百分百的占有率，但一直下滑，到2010年日本快要下滑到韓國人的市占率曲線的下面了。韓國的市場是一直往上升的，當(dāng)時中國的市場占有率還處于緩慢上升階段，比日本低不少。所以當(dāng)時我就提出這個問題，中國鋰電如何突圍？

當(dāng)時我提出看法后，CATL榮譽(yù)董事長就來咨詢。他信心十足的說鋰電突圍從CATL開始。在我發(fā)表完演講后沒多久，中國鋰電池開始蓬勃發(fā)展，經(jīng)過了4年時間，中國的動力電池世界市場占有率就已經(jīng)超過了韓國，處于世界第一，代表著突圍成功。

現(xiàn)在我們面臨一個問題，新能源汽車正在退補(bǔ)，補(bǔ)貼浪潮褪去后，會不會有可能被韓國、日本再反超，這是需要重視的一個問題。退補(bǔ)就等于世界各國站在了同一起跑線上，大量的鋰電池品牌將進(jìn)入到我國，無論是韓國、還是日本，都對本土電池企業(yè)產(chǎn)生了一定的壓力，這也是需要本土企業(yè)打起精神來應(yīng)對的狀況。

現(xiàn)在我國鋰電池產(chǎn)業(yè)，算是并跑狀態(tài)。從跟跑到并跑，再到領(lǐng)跑，需要經(jīng)歷很長的時間，可能會經(jīng)歷一些曲折。未來我預(yù)測，我國的電池企業(yè)一定可以成為“領(lǐng)跑者”。

問：您預(yù)測，我國固態(tài)電池什么時候能正式邁向產(chǎn)業(yè)化？

陳立泉院士：我在5年前提出一個觀點(diǎn)：固態(tài)電池要用5年時間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也就是2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

從目前的情況來看，國內(nèi)成立的固態(tài)電池公司有5～6家了。他們也都在往產(chǎn)業(yè)化走，應(yīng)該說還是產(chǎn)業(yè)化的初期階段。我認(rèn)為近期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的可能性還是非常高的。

問：您覺得固態(tài)電池的發(fā)展要拋棄現(xiàn)有鋰離子電池的模式嗎？

陳立泉院士：我覺得恰恰相反。對于固態(tài)電池，我希望不要完全甩掉現(xiàn)在的鋰離子電池，最好在鋰離子電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，這樣發(fā)展起來會很快，也會很順暢。而且從目前的形勢來看，我們也需要做這方面的工作。

雖然現(xiàn)在看多種電池并舉，都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，但未來一定是固態(tài)電池的天下。目前日本、韓國以及歐美國家都在著手發(fā)展固態(tài)電池，想在未來固態(tài)電池市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，形勢刻不容緩。

問：從1976年至今的40多年時間里，固態(tài)電池剛剛實(shí)現(xiàn)初步產(chǎn)業(yè)化，你覺得在這期間有什么因素導(dǎo)致固態(tài)電池面市時間的延遲？

陳立泉院士：1991年的時候，SONY宣布鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化，這在當(dāng)時震動相當(dāng)大，因?yàn)楫?dāng)時它的鋰離子電池各方面性能都不錯，這樣國內(nèi)肯定是要跟跑的。

當(dāng)時我有機(jī)會去參觀SONY，看到了它整個生產(chǎn)線，相當(dāng)震撼。當(dāng)時的SNOY生產(chǎn)線自動化程度就非常高，18650圓柱形電池的檢測基本實(shí)現(xiàn)了自動化，哪個部分沒焊好，都能一目了然。分檢也相當(dāng)嚴(yán)格。做極片的生產(chǎn)線，大概只有一兩個人，而我們的工廠當(dāng)時一條生產(chǎn)線是有很多人的。

雖然當(dāng)初固態(tài)電池已經(jīng)有了成品，大小在100cm²左右，但畢竟難以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。如果當(dāng)時不投入到鋰離子電池中，我國將在很長一段時間受到國外掣肘。而且SONY宣布產(chǎn)業(yè)化后，大家也都感興趣，所以當(dāng)時國內(nèi)大部分都轉(zhuǎn)到鋰離子電池去了，固態(tài)電池基本上就停擺了一段時間。