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張久俊：全球電動汽車電池及鋰電池的發展：現狀、挑戰、展望

中國粉體網訊 7月7日，2021中國國際鋰電產業大會（簡稱金磚鋰電論壇）在上海汽車會展中心順利召開。本屆金磚鋰電會議為期兩天，主題為以“新技術、新應用、新發展”為主題，采用“會議論壇+展覽展示+體驗營銷”三位一體的創新模式，多項重點活動同期同地舉辦，充分協同聯動，品牌效應和影響力大幅提升。加拿大國家工程院院士、上海大學理學院院長、上海大學可持續能源研究院院長張久俊出席論壇并發表主題演講——《全球電動汽車電池及鋰電池的發展：現狀、挑戰、展望》。

以下為演講實錄：

非常感謝大會的邀請，有這樣一個機會和大家分享一下關于目前全球鋰電池發展的狀況。

一、新能源電動車發展的趨勢

目前，全球汽車總量大約是17億輛。其中，中國有2.7億輛。這些汽車絕大部分都是燒汽油或者燒

柴油的，燒汽油就帶來一種不可控的污染，排出的二氧化碳、一氧化碳、氧化氮、氧化硫等等污染物到大氣中，造成大氣污染，對于人類可持續發展造成威脅，這是目前汽車存在的問題。為什么我們說新能源電動車發展有它的趨勢？首先，世界上各個主要發達國家都把發展新能源汽車列為國家戰略。去年以及前年，德國、法國、英國這些發達國家都紛紛宣布，到2040年左右他們國家要禁售燃油車。我們中國也在考慮這個問題，但是能不能到2040年把所有的燃油車都取代掉，我自己覺得可能有點為時過早。但是這是一個大的趨勢，告訴我們將來都要發展電動車。

為什么要發展電動車？目前我們國家在大力提倡碳中和，雙碳目標，到2060年中國要達到碳中和。要達到碳中和，國際上的《巴黎協定》規定，在2100年前要把全球平均溫度控制在2攝氏度之內。所以到2040年，全球電動汽車數量需要達到6億輛。電動車里面主要就是電池，不管是燃料電

池、鋰電池或者其他電池，它就是電池。

二、電化學能源技術

什么是電化學的技術？電化學技術是目前被認為最可靠、最有效的能源，它包括很多。這里面大概列出來十多種，常見的鋰電池，燃料電池、二氧化碳還原、鎳氫電池等等，還有金屬空氣電池，這些都是電化學技術，其中有幾樣可以用在電動車上。

怎么樣衡量電化學技術？有五個大的指標。

1.能量密度要高，尤其在汽車利用，能量密度是非常重要的問題，牽涉到汽車的續航里程。

2.功率密度，存的能要在多長時間可以排放出去，如果存了大量的能，但是很慢的排放出去，功率密度就比較低。尤其在汽車上是不可用的。

3.循環壽命。汽車能夠充換電多少次，這也是很重要的。

4.價格。這個電池再好，但是非常貴，那也不利于產業化。除非在一些非常特殊的環境下，比如說空間電源上，可以不計價格，或者軍事上不計價格。但是作為民用，大面積推廣，價格還是降下來的。

5.安全性。安全性應該是第一，這是非常重要的一個方面。

五個大的標準來衡量電池的好壞。

這是我根據能量密度、功率密度、壽命和價格，總結出來的各種電池有不同的直白，可以根據你的需要來選擇不同的電池。當然，這里面有很多電池還處在早期的發展階段。比如說金屬空氣電池，能量密度特別高，但是現在處于發展階段。燃料電池現在可以在汽車利用，但是價格特別貴，所以也不適用于大規模生產。在燃料電池方面要花大力氣解決降價和設施的問題。

三、鋰電池發展的趨勢

鋰電池有很多的應用：

1.運載裝備，應用在汽車上。

2.能源存儲，光伏發展非常快，風能發展非常快，這些可持續能源必須要儲存起來，才能夠應用，鋰電池起到非常大的作用，尤其是磷酸鐵鋰電池。

3.電子通訊。

4.國防航天。

鋰電池有非常有廣泛的應用。下面講一下鋰電池以及全固態鋰電池。為什么這個電池被選用在汽車上？因為它能量密度高、功率密度高，有很多優勢。目前，鋰電池主要用在電動汽車以及家用電器上。

目前，它存在什么問題？

1.電池壽命不夠。

2.在汽車里用，能量密度不夠。

3.安全性問題，我們要提高能量密度，假如我們用磷酸鐵鋰可能稍微好一點，但是還是有安全問

題。研發方向是發展新的材料，提高能量密度和功率密度。在汽車上，要提高循環壽命和減少充電時間，提高安全性。

這是鋰電池關鍵材料技術路線發展，從這里可以看到鋰電池包括正極材料、負極材料、隔膜、電解液、導電劑，一代一代的發展都是不一樣的。材料隨著不斷的進展，第一代鋰電池的能量密度大概是100Wh/Kg，第二代變成了200Wh/Kg，第三代變成200-320Wh/Kg，第三代基本上是用三元體系。

這是我們在鋰電池方面合成的負極材料，金屬氧化物的負極材料，進一步提高能量效率。

第二個可以用到汽車里的電池是可充電鋰硫電池，能量密度和功率密度都很高，目前存在一個問

題，循環壽命還不行，最好的可以達到800次、900次，甚至1000次，但是這個在汽車應用完全不

夠。另外，安全性能也要進一步提高。

第三種可以用在未來汽車上的就是金屬鋰空氣電池，鋰空氣電池盡管目前發展不是那么快，但是做的非常好。最大的優勢是理論能量密度非常高，可以達到30Wh/Kg，相當于鋰電池的10倍。但是目前發展還是受限于循環壽命，另外一個是操作條件。

我們做了空氣方面的材料，這些材料看起來都比較漂亮，不漂亮的話發表不出去文章，所以我們力求做的材料比較漂亮，看起來非常漂亮，顏值高，但是不一定好用。但是我們這個材料還是相當不錯的。

目前全球電動汽車鋰電池狀態，化學組成和最佳實用性能。里面的Chemistries、主要的發展公司、電池的model、能量密度、循環壽命以及價格。能量密度一般都可以達到300Wh/Kg，即使磷酸

鐵鋰也可以達到180左右，但是價格也都在100左右，循環壽命在1000-1500小時。

我們看看電動車發展的里程碑。首先要講到它的續航里程問題，續航里程實際上是一個很大的問

題。從2014年的續航里程190公里充一次電，一直達到我們要求的至少在500-700公里的續航里程。

大家可能對續航里程的概念還不是太清楚，因為續航里程和能量效率是有關系的，假如這里有個標準的能量效率，在一定能量效率下的續航里程。我們到2030年要達到600Km/Kg，使我們的電池發動機系統能量密度要達到350Wh/Kg。

電池本身可能要求更高了，2020年1月-6月全球前20名電動車電池出貨量及系統能量密度，這個出

貨量非常大。尤其從2021年以來，各個大的鋰電池公司，據我所知，機器全部開滿24小時，訂單已經訂到明年去了。這是一個雷達圖，里面有十個標準，中間的紅色是鋰電池目前能夠達到的，這里面牽涉到能量密度，還達不到。功率密度也不好，可能最好的是日歷壽命和循環壽命。但是在這些方面，還要進一步的提高。其中，我們要發展長續航里程的汽車，最關鍵的鋰電池指標是能量密度，能量密度是最關鍵的指標，是技術更新換代的一個標志。當然，能量密度要在安全的條件下。

這是中科院李紅教授的PPT，我借來用一下。從90年代一直發展到2020年，我們目前電池本身能夠達到300Wh/Kg的水平。到2030年要求電池本身能夠達到500Wh/Kg。怎么樣能夠達到這個指標？下面再和大家分享。能量密度和安全和緊緊結合起來的，從這個圖中可以看到循環壽命以及它的能量密度。能量密度越高的電池，它的循環壽命越差勁。能量密度越低的電池，它的循環壽命越好，這就是一個自然規律。任何一個物體，能量密度越高，它肯定不穩定。但是，我們要怎么做呢？達到一定的循環壽命的時候，也有最高的能量密度，達到中間的優化，這是我們努力的目標。下一代鋰電池發展的路線圖，目前我們用的磷酸鐵鋰或者酸鹽，到2020-2025年要發展固態電池和鋰硫電池，到2025-2030年要發展鋰空，目前一個單體的電池是350Wh/Kg，我們終極的循環壽命要達到3000次。

有效策略有這樣幾種，首先我們要認識到問題，這些問題造成的后果，后面有改進方式。

高能量密度在未來的發展趨勢叫高能量密度全固態鋰電池，這是我們未來發展的趨勢。全固態鋰電池的主要問題在什么地方？

電解質的導電性，包括氧化物的電解質、硫化物的電解質、聚合物的電解質，以及界面與兼容性兩方面的問題。我們可以通過改進措施來達到全固態鋰電池的發展。

我們看看目前對于全固態電池研究的發展現狀，這里面列出了很多大公司，包括我們中國的幾個大公司，他們用的電池類型，目前達到的參數以及應用場景等等，全固態鋰電池實際上還是相當不錯的，能輕意達到300Wh/Kg。

在未來我們要達到500Wh/Kg的鋰電池，有哪幾種電池可以達到呢？我列出來三種電池。

1.鋰硫電池。

2.鋰空氣電池。

3.二氧化碳。

鋰硫電池和鋰空電池發展非常大，總體的趨向還是必須從液態電池到全固態電池。全固態鋰硫電池

存在四個方面的問題。

1.硫導電率比較低。

2.體積膨脹。