车用动力锂电池及其正极材料技术发展研究报告

在11月13日成都召开的2014年第二届中国（成都）锂电新能源产业国际高峰论坛上，北京大学教授、本次论坛学术委员会主席其鲁做了《车用动力锂电池及其正极材料技术发展研究》的专题报告。以下是其鲁教授的演讲报告：

其鲁：大家下午好。

又一次有机会能够利用二三十分钟的时间把我们过去的工作做一个总结，非常高兴。

今天我要讲的是和汽车有关的车用锂离子电池和相关的关键材料。在国内，我们搞了十多年的锂电池材料、锂电池，也涉及到了很多电动车方面的工作。

有几个问题需要关注一下，在过去的十多年当中，中国的电池材料、电池、电动汽车的发展，就像波浪一样，有高有低，也遇到了各种各样的问题。

今天我主要想从几个方面强调一下，强调的依据就是大量的实验结果。电动汽车到了今天，追求的是安全性和可靠性，另外一个是舒适性。所以对电动汽车毫无疑问提出了另外的要求，像上午几位专家提到了一样，行驶接续的问题、安全问题、可靠性问题、成本问题等等，有些问题是可以考虑解决的，有些问题完全可以从材料的角度、电池的角度把它处理好。比如电池的正极材料，高电压、高容量、高密度是我们研究和追求的非常重要的方向。高电压和高容量，大家比较容易理解。但是高密度的问题，到目前为止在这个问题上还有些混乱。举两个例子，除了正极材料当然也有负极材料，在过去的二十多年当中，不断有人从纳米材料、碳纤维、石墨稀等这些角度做过很多文章，在这些文章中都在说电池未来应该是如何的、电动汽车是如何的，但是在大量的实际当中发现，尤其这些纳米材料。物理密度低于微米的、颗粒直径小于微米的纳米材料，事实上在电池的应用中是非常麻烦的。在制作过程中出了问题，密度小，基本上不是高功率的电动汽车需求的电池。还有一个问题是在常温和低温下需要非常良好的导电性，导电性的问题在过去的五年当中，表现矛盾尤其突出。有很多电池在常温下可以正常工作，但是接近零度的时候，容量继续衰减，变换性能受到很多影响，到了零下十度、零下二十度的时候，电池性能损失极其严重。最近和东北地区的搞电动汽车的朋友们讨论过这方面的问题，很少有人敢把锂电池拿到东北的电动汽车上做测试。所以，电池不仅在好的常温下有好的性能，归根到底就是它的导电性，另外在低温下也要关注这个问题。热稳定性是直接导致电动汽车安全性的重要因素。

从电池的角度，我们要考虑到它的安全性能可靠性，电动汽车的安全性和电池的安全性能关系太密切了。当然了，也不是说电动汽车的安全问题都是锂电池产生的，发生的数十起电动汽车爆炸的问题，很多原因是由于电池的不当使用导致的，当然也有其它一些原因。

另一个问题是高容量密度的问题，简单说就是是否可以尽可能多地储藏电能的问题，这是储能的问题。电动汽车只有高的能量密度，无论是体积还是重量，都是非常有利于在比较小的体积下、比较轻的重量下让电动汽车尽可能行驶比较全的距离，所以高能量密度对电动汽车是非常重要的。上午很多专家提到了混合动力汽车的问题，还有插电式混合动力电动汽车的问题。这样的汽车涉及到的是高功率问题，电池需要在比较小的体积下，比较轻的重量下，尽可能承受大的充放电电流，而且具有良好的寿命。高功率和高容量，很难在目前的状态下让它两全其美，或者可能涉及一种高容量电池满足纯电动车的需要，满足储能的需要，或者一种设计一种高功率电池，让它满足混合动力车的需要或者电动工具的需要，至少目前要从这几个角度考虑问题。

关于电动汽车，我们有些思路也应该发生一些转变，上午也讨论这样的问题，比如续航里程的问题，充电快慢的问题。经常有人提出来，我们的车要超电动汽车，要超过燃油汽车，要充一次电跑五百公里，那没有问题，但是搭载上这样的电池，重量是多少呢？成本代价是多少呢？就是我们面临和需要解决的问题了。所以续航里程跟快慢要根据实际情况处理好，在中国目前的状况下，我认为电动汽车，电池的性能完全可以从不同的角度满足需求。电能来源的多样化也是一样，下面我会谈到这个。

在中国我们是最早介入电动汽车的。我们当初介入电动汽车也是迫于无奈，因为我们做出了渐进式锰酸高容量电池之后，没有电动汽车怎么办呢？我们得了解电池到底合不合适，要了解各种情况下的电化学性能，最后逼得没有办法，只好参与电动汽车了。在2007年的时候北京奥运会之前，北京有数百辆汽车使用了多元负荷氧化物高功率电池，就是今天大家所说的三元电池。这样的技术在今天的中国，也有成千上万辆在使用。今天尤其把这方面的技术性能跟大家介绍以下。

关于微型汽车我们也有一些讨论。山东是微型电动汽车非常发达的区域，上午的信息也表示了，年产量达到十几万辆，问题是政府如何去考虑推动，市场如何去操作。关于这些细节的问题，我就不多说了。总之，在国内外，微型电动汽车的发展是非常快的，给出的电动汽车用电池的方案也应该有所不同。电动汽车的技术，是我们今后要仔细考虑的，要多考虑虑。到目前为止，我们电动汽车是在传统汽车上的一个改造。事实上，这样一个想法，在一个阶段适合中国的国情，但是如果回头想一想，中国的燃油汽车走了30多年的发展历程之后，到今天只有三四流产品的民族品牌，我们为什么做不出好的燃油汽车呢？需要在座的企业家认真考虑这些问题。今后中国的电动汽车的发展，一定要极早做起，一定要大量投入，要在最基本的技术方面多做功课，才能为真正的电动汽车打造出中国新能源产业、新兴制造业发展的好机会并且把握好这个机会。

关于电动车安全性问题，时间关系，我只想说，这个问题是我们以后遇到的最可怕的问题。有些问题在某种情况下是电池导致的，非电池导致的问题也有。但是大家可以想象，当电池燃烧起来的，是高密度的电能载体，里面几乎所有器材是易燃易爆的，电解液在六七十度的空气下会燃烧，负极材料、隔膜材料，里面大量的各种各样的材料里非常可怕。所以电池控制管理不好，电池内部温度升高导致的电池裂开，最后导致燃烧爆炸，这种事情已经出得太多了。所以电动汽车的安全性问题在国内外，目前为止并没有受到人们过多或者高度关注。但是作为电池企业，作为电池材料企业，作为我们的电动汽车，因为到目前为止，没有先例，人们并不知道一辆电动汽车什么情况下会燃烧、会爆炸。另外，今天的传统燃油车，在高速公路上，在城市里面，自然这样的问题也很多。所以，电动汽车的安全性问题，可能是今后几十年或者永久的讨论话题。关于电动汽车电池的问题，我想到今天为止用不着和铅酸电池和镍氢电池比较，这几天的会议大家都会有共同的想法，锂电池是电动汽车今后唯一的，至少五到十年内还没有其它产品有更高的电压、更高的能量密度或者更合适的适应性短内取代锂电池。

锂电池今后的路还有很长，今天的公交车一公里耗电1度多，明年是多少、后年是多少，已经有非常明确的目标。车辆载重对于电池模块也是非常重要的因素，如何从简单的单体电池走向模块，走向整车电池，今后的工作也是非常多的。

最后我想从电池的问题回到电池材料上，最近我们和国内做电池的厂家做了程度不同的沟通，国内有些厂家锰酸锂电池的稳定性做得都比较好了。所以今天可以说，电动汽车，它的寿命做到五年、七年，从电池的角度是非常有信心的。十万公里也好，十五万公里也好。2008年奥运会结束后，按照当时的结果来看，三年十万公里，完全把这个问题解决了。今天，照着这样的电池来考虑，我想五年十五万公里的目标也应该比较容易解决。

在今天的技术情况下，渐进式锰酸锂电池作为高容量电池，它的寿命深度充放两千次，容量还保持着80%以上意味着什么。按照现在汽车使用的寿命来考虑，保证五年以上或者更长的年头使用，从电池的角度放心去使用。混合动力车电池，也应该是这样的。2007年以前，以锰为中心的多元材料，做过五万次、十万次，模拟三十万次的充放电，所以混合动力车的电池寿命和安全性，我想大家应该放心去考虑。当然了，我指的是生产、品质检验，我们的使用都是在规范化情况的前提下。一个电池在生产过程中，不能严格控制生产过程，如果不能把好质量关，简单说有一些异物进了电池，或者其它原因导致电池出现差异等等，可能都会造成电池出现一些其它问题。

从本质上讲，电池的安全性，导电性是非常重要的一个方面。导电性涉及到什么呢？涉及到电化学性能，涉及到使用环境，涉及到材料问题，涉及到电池的问题。这里面做比较，多元的负荷正极材料的电池，在大功率充放电情况下，它的发热要比和它做比较的这块电池的温度变化小多了。从测量大电流的情况下，电池温度变化的角度来考虑问题，是研究电池安全性非常重要的手段。测量温度对大家来说都是比较简单的，所以制造电池的朋友们一定要考虑一下，我们的电池到底安全性如何，跟使用当中温度变化有密切关系。大量的热量积累，完全会导致电池裂开。电池裂开就意味着可能会燃烧、可能会爆炸。另外，这个导电性的问题，还涉及到常温情况下电化学性能如何的问题。所以我们选择一个好的材料，制作一个好的电池，在常温状态下，要保证它有良好的导电性，优越的充放电性能，在低温、零度、零下二三十度也必须具有良好的电化学性能，这样的电池才能作为车载电池。非常遗憾，和东北的搞电动汽车的朋友们接触过之后，他们讲没有多少人敢把电池拿到东北去做，哈尔滨也好、长春也好，做各种各样的车辆测试，这让他们感到非常为难。

还有一个事情，我在有些场合下讲过几次，在不同状态下电池的安全性和可靠性，是由电池的另一个电化学特性所控制，有着很大关系。大家可以看到，两个电压的标尺是完全不一样的，尤其是作为渐进式锰酸锂电池的对比，所对比的电池它的间隔是非常小的。从SOC的电压变化上可以看到，在电池电动汽车反复充放电的区间，最频繁使用的30%至70%的区域，它的电话写特性表现出来的是电池电压的变化是非常小的。电动汽车如何控制电池呢？如何让电池效率高的输出动力，驱动电动汽车呢？到目前为止是通过电子计算机，各种各样的技术来完成。但是在这种状况下，每支电池的不同电压下，这个差别太小了，导致很容易给我们错误的指令，该充电的时候不充电，该放电的时候不放电。有些朋友问我，为什么他们出厂的时候电池一致性非常好，稳定性非常好，可是用了一个月，用了半年之后，电池容量迅速衰减？我想跟它的电池特性关系密切，希望大家多关注这个问题。

从电池正极材料的角度考虑，我们要做的工作是很多的。大家都知道，从2000年开始，首先以电池的关键材料起家，中国的钴酸锂，从北京工厂国产化第一步实施，锰酸锂、多元化等等。同期的正极材料，充放电曲线的，但是我们自己的工作。通过今天的会议我也了解到，我们很多企业和研究单位都进入到高电压材料领域。我认为，像渐进式掺杂镍的具有渐进式结构的锰酸锂，作为下一代电动汽车的重要发展方向，是值得大家关注的。目前为止我们做了很多工作，我们也做好了把它作为下一代动力电池的准备，适当的时候会进入市场。这个电池有很多特点，目前为止我们解决不了的一些问题它能够解决。但是，隔膜的问题、电解液的问题、使用过程当中的其它问题等也出现了，需要大家共同关注，把这个问题处理好。还有一种材料是更高容量，负荷材料的发展趋势。作为今天讲的三元材料的替代产品，很可能在若干年以后发生，这个电池会出现在市场上。它让今天的高容量电池和高功率电池，都会发生革命性变化。今天上午长安汽车的报告当中，他们的车上的能量密度已经做到了90，利用新材料技术，我想我们很快会突破100，达到120，有可能还会实现150。到那个时候，我们的车载电池会很小。除了正极材料之外，负极材料明天也会有一个很好思路的报告，希望大家关注一下。

很多朋友都跟我提到了材料合成的问题。电池的材料要想有一个很好的导电性，要想有一个非常优越的充放电的稳定性，材料的合成方法是非常重要的。通常人们用固向法，高温下一次反应、两次反应，这样的结果既耗能，最后电化学性能也不一定好。溶液法虽然解决了一些问题，但是它的毛病是大量使用溶剂，除去这些溶剂可能出现的问题更多，找到一个新的方法，找到一个既不耗能，又不需要在后续过程中花费很多程序，找到一个合适的办法，应该是我们大家要考虑的一个方向。这方面我们已经做了非常有意思的工作，比如在我们的工作里，我们既不会用简单的固向法，也不会用传统的溶液法合成电池材料。

电池材料里面的杂质问题对电池性能的影响是非常大的，有些杂质是我们必须要考虑，在原材料制造过程中就要把它清理掉。为了让它得到好的电化学性能，需要有意添加一些。这张图想告诉大家的是，像渐进式锰酸锂材料，电化学发生量化的元素，可以产生各种各样的锰和锂的氧化物，这些氧化物大部分不能导电，不能作为锂电池的储能材料进行使用。如果这个问题不处理好，我们得到的渐进式锰酸、多元负荷金属氧化物材料放电容量就会低，电化学充放电的稳定性就会差，导电性能也会出现问题。

最后一个问题，电动汽车未来的使用，我想电能肯定是多元化的。我们很多人把目光集中在了充电桩、集中在电网的问题上，实际上完全可以考虑自然能源的使用。因为今天全球还有数亿人处于无电的状况下，在四川和云南有250多万人没有电，在西北也有很多人没有电，这些人难道不会用电动汽车了吗？我想不会是这样。新能源的使用，小型电动车的使用，会在这些地区迅速发展起来。在城市当中，在国外很多城市给自己的车供电，已经实现了，这是中国面临的很大问题。尤其是中小城市的周围，多建立自然能源的充电站，通过各种各样的方式方便为我们充电，我觉得是为期不远的。

用了这些时间简单讲了这些问题，谢谢大家。