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陈立泉院士:未来一定是固态电池的天下

平安
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楼主 发表于:2020-01-20 11:48:00
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陈立泉,世界著名功能材料学家,中国工程院院士。主要从事锂电池及相关材料研究,在中国最先研制成功锂离子电池,解决了锂离子电池规模化生产的科学、技术与工程问题,实现了锂离子电池的产业化。曾获国家自然科学奖一等奖、中科院科技进步奖特等奖,2007年获国际电池材料协会终身成就奖等。



(图片来源:网络)

缘起:被一种叫作氮化锂的材料所吸引

上个世纪70年代,正是国外固态电池研究刚刚起步的时候,陈立泉当时被中国科学院派遣到德国斯图加特马普协会的一个研究所去进修,在那里,他发现几乎全所的人员都在研究一种叫作氮化锂(分子式:Li3N)的材料。

正当他纳闷的时候,所里的一位同事告诉他,属于离子导体的氮化锂,能用于制造驱动汽车的固体电池。陈立泉犹如发现了新大陆,从此由自己的晶体学专业转入了固态电池这一初露曙光的领域。

奠基:为我国锂电研究与生产提供知识、技术、设备和人才

1978年,当陈立泉返回中国后,他继续研究与固态锂电池及其应用有着密切关系的固态离子学,同时他也积极地请求国家重视固体电解质材料领域。

两年之后,中国科学院物理研究所成立了固态离子学实验室,成为中国第一个该领域的实验室。中国科学院“六五”和“七五”(1980-1990)先后将快离子导体和固态电池列为重点课题。科技部于1987年的第一个“863”计划也将固态锂电池列为重大专题。

在此期间,陈立泉团队研究了固溶体离子导体、非晶态快离子导体、加成化合物离子导体、聚合物离子导体、复合离子导体等一系列材料。

回顾这段经历时,陈立泉认为,中科院和科技部支持的快离子导体和固态电池的研究为我国锂离子电池的研究和生产提供了知识、技术、设备和人才。

在20世纪90年代,陈立泉团队不仅完成了固态锂电池相关材料的研究,而且也研发出了电池充放电的设备。在“863”计划项目的审查期间,展示了由固态锂电池作为电源的收音机和录音机。首个“863”项目的成果展览陈列了一些使用自制的涂料绕线机和其他自制设备制备的固态电池。

转向:开创中国锂离子电池商业化的时代

当日本索尼公司于1990年宣布锂离子电池成功商业化时,绝大多数致力于固态锂电池研究的我国科研工作者都竞相开始研究液态电解质的锂离子电池。

2000年前后,陈立泉院士实验室相继研究了锂离子电池材料和电池技术、工程问题以及纳米离子学,并将理论计算与实验结果结合起来。在此期间,他们依靠自制的设备、国产原材料和自己研发的技术,完成了第一条18650圆柱型锂离子电池的测试生产线,年产量20万支电池。1999年成立的北京星恒电池有限公司,标志着中国正式实现了锂离子电池的商业化。

同时期,陈立泉院士团队还做出了多项创造性的成果,其中就包括纳米硅负极材料。现在国际上普遍认为纳米硅是新一代的锂离子电池负极材料。然而,早在1997年,陈立泉院士团队就首次提出用纳米结构的硅作为高容量负极材料,并花费十多年时间研究了纳米硅的储锂机制。可以说,纳米硅是唯一一种在中国提出并发展的锂离子电池负极材料。

此外,陈院士在锂离子电池中开创的理论计算,令笔者感到与众不同,陈立泉院士团队曾计算了1172种电化学储能体系的理论能量密度来筛选合适的材料,并基于这些结果,提出了一种可再充电池发展的技术路线。陈院士由此认为,从重量能量密度考虑,锂空气电池将会成为电动汽车的终极可再充电池。

突围:国产动力锂电池全球市场占有率第一

从某种程度而言,中国较早期的锂离子电池商业化,极大地得益于20世纪90年代期间陈立泉院士开创性的成果及其累积的经验,由于他们广泛使用自制的设备,大大降低了锂离子电池的价格,因而有力地促进了中国锂离子电池产业跃居世界前三位。

在2010年的一次演讲中,陈立泉院士分析了当时锂电的全球市场情况。那时的日本和韩国正在争夺全球市占率霸主的地位,而中国却落在后面。于是,陈立泉院士焦急地向锂电全产业抛出了一个问题:“中国锂电如何突围?”

就在那一年的《新材料产业》上,师昌绪、杨裕生、陈立泉,三院士联合发表了《我国锂离子电池产业面临的机遇与挑战》一文,其中一段话掷地有声:

“靠用日本人的设备、材料和技术,怎能和日本竞争?我们相信,只要我国新材料学界和产业界共同努力,完全能够满足锂离子动力电池对所需材料的要求;我国工程技术专家、设备制造企业与电池制造企业密切合作攻关,就能够提供一致性高、安全性好的电芯和符合电动汽车标准的电池组。”

之后不久,CATL等一批国内锂电企业强势崛起,乘着国家补贴政策的东风,中国的动力锂电池一路蓬勃发展,不到5年时间,世界市场占有率就超过了韩国,成为了世界第一。

隐忧:补贴退坡之后有无可能被韩日反超?

随着2019年新能源汽车补贴政策于6月25日结束“过渡期”,新能源汽车补贴准入门槛提高,补贴也出现较大幅度“退坡”。在近日接受记者采访时,陈立泉院士表达了这样的隐忧:补贴浪潮褪去后,会不会有可能被韩国、日本再反超,这是我们都需要重视的一个问题。

他认为,退补就等于世界各国站在了同一起跑线,大量的国外锂电品牌将进入到我国,届时将会对本土电池企业产生一定的压力。虽然道路可能漫长而曲折,但是陈院士坚信:未来我国的电池企业一定可以成为“领跑者”。

预测:固态电池在2020年实现产业化的可能性非常高

早在五年前,陈立泉院士就提出一个观点:固态电池要用5年时间实现产业化,也就是2020年实现产业化。在近期接受采访中,陈院士依然认为固态电池在2020年实现产业化的可能性是非常高的。目前国内成立的几家正在冲刺产业化的固态电池企业,陈院士表示都有所了解,同时他认为目前固态电池正处于产业化的初期阶段。

坚信:未来一定是固态电池的天下

在陈院士看来,虽然现在是多种电池并举的情况,且都有各自的优缺点,但未来一定是固态电池的天下。从现状来看,日本、韩国以及欧美国家都在制定战略支持发展固态电池,若要在未来固态电池市场中占据主导地位,形势刻不容缓。

陈院士认为,提前布局固态电池不仅是中期考虑,也是为更长期的发展战略考虑。从中期来看,锂离子电池的安全性和能量密度问题是亟须要解决的,固态锂电池有望是解决这两大难题的终极方案;从更长期的发展战略考虑,未来的锂/硫电池和锂空气电池采用固体电解质有望解决金属锂负极的稳定性难题。

总而言之,固态锂电池是未来可再充电池技术的核心,陈院士认为,抓住第一机会才能掌握主动权,之前我们很大程度上在跟随国外的发展,但是如果我们较早地开始固态锂电池的研究,那么我们将会在这个领域处于领先地位。

40年来我国在固态锂电池研究方面的积累为今天固态锂电池的研究和产业化提供了宝贵的经验和借鉴。陈立泉院士认为,目前是我们实现固态电池领跑的难得机遇。这一目标能否实现,在很大程度上依赖于政府主管部门的大力支持,也依赖于广大科技工作者和工程技术人员通力合作,去解决一系列基础科学问题和工程技术问题,同时也特别希望资本运营企业能够把固态电池这一类国家急需的技术作为新的投资方向,使研究成果更快产业化。

最后,让我们一起重温陈院士在《四十年固态锂电池——回顾与展望》结尾处的愿望与决心:”我们的目标一定要达到,我们的目标一定能够达到!”

让我们侧耳倾听,来自2020年——中国固态锂电池的佳音。

(未经授权,谢绝转载。转载请联系中国粉体网编辑微信:953871729)

参考资料:

陈立泉:静候中国固态电池“领跑”佳音;清新电源,2019

陈立泉:固态金属锂电池研发四十周年;国家科学评论,2017

陈立泉:四十年固态锂电池——回顾与展望;储能科学与技术,2016

陈立泉,加强材料原始创新实现锂电突围;新材料产业,2011

中国工程院陈立泉院士莅临清陶考察指导工作;清陶发展,2017

中国锂电研究第一人——陈立泉院士;中国粉体网,2018

师昌绪,杨裕生,陈立泉,我国锂离子电池产业面临的机遇与挑战;新材料产业,2010

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除!


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