黄学杰：创新材料技术推进锂电池升级，是破解疯狂内卷的一条出路！

发布时间：

2024-07-30 00:00

来源：

概要：

“2012年中国电池工业协会打赢了一场官司，这场官司让中国的电池企业免交每吨磷酸铁锂材料2500美金的专利使用费，中国磷酸铁锂电池产业获得了大发展。但现在中国电池企业疯狂内卷，卷得太深了，我们不能继续往下卷，发展创新材料技术推进磷酸铁锂电池产品升级是一条出路”。首页头条要闻

“2012年中国电池工业协会打赢了一场官司，这场官司让中国的电池企业免交每吨磷酸铁锂材料2500美金的专利使用费，中国磷酸铁锂电池产业获得了大发展。但现在中国电池企业疯狂内卷，卷得太深了，我们不能继续往下卷，发展创新材料技术推进磷酸铁锂电池产品升级是一条出路”。在2024中国国际新型储能发展峰会（INES2024）上，中科院物理所研究员、松山湖材料实验室副主任黄学杰说到。以下为速记稿全文：

储能电池主要是用磷酸铁锂，铅炭电池循环寿命已经提升到几千次了，磷酸铁锂电池循环寿命怎么提高，提高它的机会在哪？

磷酸铁锂电池增长得很迅速，是因为去年安装的新型储能系统里面97.3%的电池主要用它。不得不承认，在未来相当长的一段时间里储能还是靠磷酸铁锂，别看最低降至0.28元/Wh，运营商还不挣钱，如果把它的循环寿命老老实实做到一万多次，我想它的价值会体现出来。

讲到磷酸铁锂，我每次都要感谢这两位老先生，Goodenough教授1996年做出了材料电池试验研究成果，1997年正式发表。另外一位是Armand教授，现在还依然活跃在电池界，他发明了磷酸铁锂包碳的技术，因为不包碳这个材料就没法用，他们两个合作起来就让材料发挥了巨大的作用，今天几乎每一块储能锂离子电池都是磷酸铁锂电池，几乎70%的电动汽车也用的是磷酸铁锂电池。

当Goodenough教授把论文投到美国ECS会议上的时候，摘要被Armand教授看到了，他马上就打电话告诉Goodenough说：你发现了一个改变世界的材料。电话那边的老先生说：你别太激动，这个材料不导电。Armand坚持：不导电没关系，我有办法让它导电。，于是Armand教授在磷酸铁锂上面包了碳，并创办了全球第一家磷酸铁锂公司Phostech。可惜太早了，成先烈了，为人类做贡献了。

那么磷酸铁锂是为谁做了贡献？主要是为中国做贡献了。2年前Nature Coummunication发了一篇论文，美国、法国、瑞典作者就在研究为什么中国企业生产了全球99.9%的磷酸铁锂？文章提到一点，十几年前的2012年，中国电池工业协会打赢了一场官司，让中国的电池企业免交磷酸铁锂材料2500美金/吨的专利使用费，中国磷酸铁锂电池产业获得了大发展。大家饮水思源，要感谢两位老先生，也感谢中国电池工业协会为行业做了这件事情。

但是中国人做熟了以后，毛病也来了。那就是疯狂内卷，而且，卷得太深了。自从官司打赢以后，国内企业就开始大干，每瓦时电池从2块钱成本，干到了4毛钱以下，没过两个月，售价竟掉到了3毛钱左右。不能就这么一直拼下去！一定要想办法提高才行。升级才是出路，不能老想着人家卖3毛，咱们卖2毛8，人家卖2毛8，我再降质量卖2毛6，这不就把自己卷死了吗？应该是想着人家寿命做5000次我做8000次，人家8000次，我1万几千次，怎么样做才能够升级？

松山湖材料实验室做了正极的加锂材料，说起来很简单，就是把硅酸锂跟硫复合起来，让它释放出大量的锂，过去从来没有人想到这样做。这个材料加进去以后，能够让电池寿命提升200%。这就有了创新，早些的时候大家想到用加锂材料都是为了补充第一次化成时的锂损失，为了让电池容量尽可能高，大家琢磨要么在正极，要么在负极里面加活性锂材料。一种容易想到的办法是加在负极里面，在上面做层锂箔或加锂粉，在电池里面先通过自放电把锂嵌进去一部分，这个事情可以做实验，甚至可以小规模的做电池，但是非常危险。更多时候大家想的是能否在正极里面加上锂，跟锂离子电池一样，但前提是加的料里面锂的含量要比磷酸铁锂高得多。

这个材料做出来以后，几年前我跟Armand教授讨论，他说这个材料是怎么想出来的，认为这个很重要，去年他到松山湖材料实验室来，和我们一起分析研究机理，很高兴现在机理已研究清楚了。硅酸锂里面的锂含量比磷酸铁锂高2倍多，怎么样通过硫的应用把锂释放出来，Armand教授跟我们一起把这个机理研究后，我们今年发了论文，把提升电池性能的道理讲出来了。这里面核心的原理是什么？我们发现正硅酸锂很有意思，它在跟硫结合的时候，磷酸铁电池充电时，硫会由原来的环状变成直列，开始发生反应。在反应过程中先把一部分的锂释放出来变成了偏硅酸锂，偏硅酸锂继续把锂释放出来变成二氧化硅，一步一步地研究清楚。硫变成了硫酸根，这个反应以前从来没有人想到过，但我们搞清楚了里面新的反应机制，通过化学反应来促进电化学反应进行。

这个反应对电池性能有什么效果，不仅仅是锂释放出来了，锂释放出来会增加容量，更有趣的是我们还发现了其它性能的提升，电池的倍率性能大幅度提高了，这让我们很惊讶。如仅仅是活性锂是增加了，电池不应该充电充得更快、放电放得更快，我们测量发现它的阻抗减小了。我们又继续研究这是什么原因。发现负极界面上的固体电解质界面层发生了变化，锂离子电池能够工作最关键的是在负极表面上有一个SEI膜，这是干什么用的？它能够阻挡有机分子进去，阻挡电子出来，让锂离子能够进出，是一种固体电解质。

我们分析电池后觉得很有意思，负极表面的固体电解质层变得非常均匀，而且很致密，总的来讲平均的厚度变薄了，变薄了意味着阻力变小了，所以说这个电池能够更快速的充放电。我们又开始分析，SEI膜有不同的形成机制，我们做电池的时候要往电解液里面加添加剂，就是让界面上形成又薄又坚固的，让锂离子快速穿透的SEI膜，往里面加VC、FEC，加ES、PS，都是为了改进电极和电解液之间的界面，让界面变得很牢固，不容易破裂。正硅酸锂加硫这个材料对它有什么影响？我们发现添加这个材料后的电池的SEI膜被加固了，因为反应有中间产物，这个中间产物会诱导电解液中的环状碳酸酯溶剂在负极界面处开始聚合起来。这种聚合反应能够帮助形成高弹性的界面。我们也和Armand教授等一起把机理讲清楚了。我们终于有一个新的材料帮磷酸铁锂电池提升寿命，现在还在推动这种机理更深入的研究，但最重要的机制很明确了。

锂补进去了，SEI膜变得很坚固了，到这个阶段，就看材料在工业上能否批量做出来，再通过研发以后把它的质量稳定下来，以后就可以做成新一代电池。对比电池3000次循环后容量还有80%几的时候，在正极材料加1%的这种新复合材料，3000次循环后容量还剩95%。

接着就开始把它做成电极，拿着电极做电池，把电极换掉以后寿命提高到了原来的3倍，容量也提高了2.5%左右，不算多，但是寿命提高多了。

这个材料做下来以后，我们觉得需要推广给更多的企业用，因为松山湖材料实验室就是要做成国家南方重要的材料研究基地。

2018年4月我们来到松山湖建设实验室，实验室也鼓励大家把研究成果推向产业化，对一些需要从实验室走向应用的项目予以支持。相关原理我在北京时就想到了，但是第一个材料拿什么跟什么配，怎么做出来，是松山湖做出来的，接着怎么能够用到电池里面，怎么把它做成成批的电芯验证，这都是在材料实验室做的，因为我们有一整套的机制，叫做“松山湖模式”，用财政资金通过合理的机制，让优先的科研成果从实验室跃过向产业转化的“死亡谷”，以后就通过松山湖能源材料与器件的创新工场，把技术推广开，同时吸引一部分企业一起紧密合作研发。在松山湖不仅仅是我们一家实验室做研发，还有一批企业一起做研发，这个过程实验室也提供研发条件支持，还有很多技术支持。