硫锂电池突破(锂硫电池研究进展)

超级电池的前景

超级电池能够存储更多的电能，更快地完成充电。研究人员表示，人们未来可能在家中完成这种超级电池的制造。

但美国加州洛杉矶大学材料科学和工程系教授理查德-卡恩表示，集合电子电路的能量存储单元的设计制造存在着挑战。

生活中，电池容量不足时常困扰着电动车和智能手机用户。性能稳定、价格合理的超级电池是人类多年来追寻的梦想。现阶段人们对超级电池的形象描述可概括为：一次充电，可以让电动汽车行驶1000公里，让智能手机玩一周，充电时间能控制在几分钟内，最好可无线充电。这种超级电池的市场规模不低于1万亿美元。当前，美国、中国、日本和韩国都在冲刺超级电池。

目前常用的锂离子电池1991年才开始商业化，主要有钴酸锂、磷酸铁锂和锰酸锂3种类型。钴酸锂电池能量密度最高，但高温下不稳定，其他两种能量密度不高。可充电电池的第五代产品——锂金属电池诞生于1996年，在安全性、比容量、自放电率和性能价格比方面，均优于锂离子电池。但距离超级电池的要求，还有较大差距。

石墨烯有望引发电池新突破。2004年诞纤陵生的石墨烯，其特点是具有良好的导电导热性能：作为电导体，其导电性可与金属铜媲美；作为热导体，它是现有材料中最好的，更难能可贵的是，这种材料在很薄的时候，仍有很高的硬度。石墨烯已被各大工业国列为重要材料进行深度开发。目前，石墨烯应用于电池上的研究基本上有3个方向：

一是以石墨烯形成全新体系电池。就是说以石墨烯制造一个全新体系的电池，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。使用这种材料制作的电池，能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里；电池重量只有锂离子电池的一半，体积也会大幅缩小，减轻使用该电池汽车的自身重量；电池的使用寿命更长，是传统氢化电池的4倍，锂电池的2倍；其成本将比目前锂电池降低77%。这些物理参数都符合超级电池的要求。

二是以石墨烯强毁毁戚化现有电池性能。将石墨烯运用到现有电池上，改进提升锂电池、太阳能电池等电池性能，力图达到超级电池的性能。对于那些已投巨资建设锂电池工厂的企业，短期内很难再投资开发一种全新电池，利用石墨烯的特性来提升现有锂电池性能，或许更为现实。就石墨烯属性来说，作为最薄、最坚硬、导电性良好且拥有强大灵活性的纳米材料，石墨烯可广泛应用于锂离子电池、超级电容器及太阳能电池等储能产品中。石墨烯的特殊结构决定其可以提升电池中的锂离子获得高速率通道的性能，可以帮助锂电池技术突破长期难以逾越的障碍。目前，以石墨烯和硅为原料研发的手机电池，每次充电仅需15分钟，便可让手机运行一周。

三是以石墨烯催化燃料电池性能。用特制的石墨烯材料替代铂作为催化剂，来制造燃料电池所需的氢燃料。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。与其他电池相比，具有能量转化效率高、无环境污染等优点。“质子传导薄膜”是燃料电池技术的核心部分。现有的质子薄膜上常存在燃料泄漏，因而降低了电池有效性。但质子可以较为容易地“穿越”石墨烯等二维材料，而其他物质则很难穿越，这就可以解决燃料渗透的问题，从而增强电池的性能。

石墨烯技术的应用至今仍处于初级阶段，尤其是能让电池体积和重量大幅缩小的单层石墨烯余档材料，成品率低，生产成本高，成为石墨烯电池难以产业化的重要成因。因而，通过进一步创新，完善技术工艺，降低生产成本，是今后石墨烯电池发展的关键。目前，我国在石墨烯研发及应用上走在世界前列，已有多款石墨烯电池和石墨烯锂硫电池取得了突破性进展。

当然，全球在电池领域的研发不仅限于石墨烯，日本就在研发利用镁生产性能更高、成本更低的蓄电池；瑞典正在研究利用碳纤维来提高锂电池的性能。但这些新技术要真正实用化，甚至形成巨大的产业，还需要经过市场的洗礼。

总之，寻找超级电池的过程，是科技创新的过程，也是产业结构优化的过程。以石墨烯为代表的超级电池实现突破之日，将是包括新型自动驾驶飞机、电动汽车、手机、电脑等一切靠电力驱动设备变革之时，对多个行业将具有颠覆性意义，必将为人类生活翻开新的一页。

如何解决电能危机？从探索新型发电形式角度分析

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本文为《国家科学评论》（National Science Review）Forum文章“A forum on batteries: from lithium-ion to the next generation”的中文版本，英文原文链接：。

2019年，诺贝尔化学奖授予了三位锂离子电池领域的先驱者：美国德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·古迪纳夫（John Goodenough）教授、美国纽约州立大学宾汉姆顿分校的斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittlingham）教授以及日本旭化成公司的吉野彰（Akira Yoshino）先生。

经过几十年的发展，锂离子电池能量密度的提升速度已明显放缓，并逐渐接近理论极限。与此同时，固态电池、钠离子电池、锂硫电池、燃料电池等新型储电和发电体系快速发展，开始为各种应用场景提供更多选项。

在此次由《国家科学评论》（National Science Review, NSR）编委成会明主持的论坛中，几位电池领域的专家充分探讨了锂离子电池面临的瓶颈和发展方向，分析和畅想了下一代电池的前景与应用，并对我国电池研究与产业的现状进行了梳理。

锂离子电池：极限未至

成会明： 有观点认为，锂离子电池的发展已接近极限，大家认同这种说法吗？

李泓： 我个人不认同这种看法。锂离子电池的性能包括多个方面：质量能量密度、体积能量密度、循环性、充放电速率、高低温适应性、安全性等。在这些性能中，只有质量能量密度和体积能量密度存在可以定量的理论极限。

仅以这两个指标而论，我认为也至少还需要十年的研究，才有可能达到极限。具体来说，锂离子电池的正极材料目前主要有四大类：钴酸锂（LiCoO2）、三元材料（Li(NiCoMn)O2）、磷酸铁锂（LiFePO4）和锰酸锂（LiMn2O4）。

其中磷酸铁锂和锰酸锂的实际能量密度已经接近理论极限，而钴酸锂和三元材料还有发展空间。

钴酸锂和三元材料的理论容量极限是274 mAh/g，而目前已经达到的最高水平分别在205 mAh/g和210 mAh/g左右。通过优化，比如开发高镍、低钴或者无钴的三元材料，还可以进一步提升性能、降低成本。

在这四大类之外，还有富锂锰基雹搏正极材料，如xLiMO2-(1-x)Li2MnO3等。它的理论容量极限更高，在x=0时可以达到480 mAh/g。北京大学夏定国团队的研究结果已达到400 mAh/g，在工业上则可以做到300 mAh/g，都还可以进一步提升。

负极也同样还有发展空间。目前常用的是石墨负极，此外还有硅负极、纳米硅碳负极等。众所周知，硅负极的理论容量很高，可以达到4200 mAh/g，但它存在一个主要问题，就是体积膨胀较大。如果能适度控制体积膨胀，硅负极将进一步发展并获得更多的实际应用。

此外，如果开发出含锂的负极，那么正极就可以不含锂，正极材料的选择范围就会更宽，又可以创造出新的发展空间。

对于锂离子电池的其他指标，如循环性、充放电动力学性质、高低温适应性、安全性等，我们或者还不知道极限在哪里，或者现有水平距离极限还十分遥远，所以更不能说已经接近极限。

总之，锂离子电池是一个开放可拓展的体系，我们可以不断探索和优化新的材料樱困、电极设计和加工工艺，从而不断提升它的能量密度和其它各项性能。这其中需要解决的问题还有很多，仍需要创造性的深入细致的研脊肆念究。

陈军： 锂离子电池是一个相对复杂的体系，主要由正极、负极、电解液、隔膜构成。其中部分商业化的正负极活性材料，如钴酸锂正极、石墨负极等在容量、倍率性能等方面都已接近发展极限。但随着新型电极材料的开发和发展， 材料的更新换代将为锂离子电池提供更大的发展空间。

目前，锂离子电池发展的主要方向是正极、负极材料容量的提升和电池综合性能的提高。其中，决定电池容量等性能的高容量正极是核心，与之相匹配的负极、电解液及电池制备工艺技术是关键。

综合来看，近期的具体目标应该是：能量密度达到300~350 Wh/kg、较快速的充放电、满足-30~60℃的使用要求、常温循环寿命超过1500次、成本0.6元/Wh（Pack）。

孙世刚： 多年以来，钴酸锂、三元材料等体系不断发展，已经相当成熟。但是应该注意到，在这些体系逐渐接近极限的过程中，其性能提高的速度其实是越来越慢的，也就是说，我们遇到的问题是越来越难的。

要解决目前面临的问题，我们或许应该回过头来，重新对这些体系中的基本科学问题和科学规律进行梳理和研究。如果能够更好地用数学、物理模型来描述电池的运行机制，将有助于我们解决这些问题，进一步接近极限。

同时在工业上，电池是一个系统性的产品。有了更好的基本理论，就可以更好地预测能量密度的提升会对整个系统，包括电池的其他性能以及电池的成本，带来怎样的影响。

成会明： 我也同意锂离子电池还有很多发展和完善的空间。进一步的发展可以从三个层面来展开：首先，不断改进已有的材料；其次，不断发现新的材料；第三，还可以开发新的体系，从传统的液态电池，逐渐向半固态、固态，甚至其他的电池体系发展。

锂离子电池：问题与方向

成会明： 实验室中的研究成果常常无法在工业上顺利实现，所以从工业应用的角度来看，锂离子电池的发展空间还会更大一些。

张宏立： 确实如此。从工业生产角度看，现有体系中还有很多需要解决的实际问题。

首先，是刚才李泓老师提到的硅基负极的膨胀问题。硅基负极在循环过程中的膨胀会导致在电池的生命周期中，模组的预紧力会越来越大，如果预紧力最终突破了模组的设计强度，将会给产品带来灾难性的后果，这是电动汽车厂商和电池企业所不希望看到的。

第二，是高镍三元体系的安全性问题。高镍材料具有很高的能量密度和综合性能，但是它不如磷酸铁锂或低镍三元材料稳定，其安全性是急需解决的重大挑战。

第三，是磷酸铁锂技术的进一步突破。过去，很多人都认为磷酸铁锂的性能不够高，但是作为一种无钴的正极材料，磷酸铁锂具有低成本、高安全性、长寿命等优点，而且其发展尚未达到极限，所以最近它重新得到了整个产业链的关注。我所在的国轩高科也从2006年创立之初就布局磷酸铁锂，目前已经突破了铁锂单体电芯200 Wh/kg的技术水平，并仍在进一步探索提升。

第四，我们希望宽温层电解液能够有所突破。在实际工作中，很多客户要求电池能够在广阔的地域中使用，即要求电池在从-40℃到80℃的区间内都具有优异的性能，而不是只能适用于低温或者高温。从电解液添加剂到溶剂体系都还有很大的进步空间。

最后，电池的辅助材料仍需优化。除正极、负极、电解液、隔膜四大主材之外，集流体、导电剂、粘结剂等附属材料技术同样对电池整体性能的突破非常重要。

李泓： 张院长提到的几个问题都非常关键。首先是硅负极的体积膨胀问题。插入锂离子之后，硅原子的本征体积膨胀是320%，这一点是无法改变的。所以要控制体积膨胀，通常只能在颗粒层面和电极层面去调整。

其次是三元材料的安全性。我认为从本质上讲，安全问题的发生是由于液态电解质与正、负极材料发生化学反应，进而导致热失控的结果。所以，要解决安全性问题，关键在于电解质的升级换代，逐渐向固态电解质发展。

当然，对于液态电解质的电池，也可以通过调控添加剂和电解质组分，或者对电极材料进行表面包覆，来使电极表面更加稳定。

此外我认为，对于三元材料，我们还需要进行更系统的机理研究，需要在分子、颗粒、电极、电芯等各个层面上，将热、电、体积变化等因素耦合在一起，做出更清晰的解释。

此外，张院长还提到磷酸铁锂正极。近年来磷酸铁锂电池技术的发展很好，已经可以在某些方面与三元材料相匹敌。

下一步的发展，我想一方面是材料的调整，比如向磷酸铁锰锂发展，另一方面也要对其中的科学问题，比如铁锰比例对离子输运和动力学的影响做进一步的阐明。

预锂化、新负极材料、固态电解质的应用也会进一步提升磷酸铁锂电池的电化学性能、安全性和单体的最大容量。

最后是辅助材料。其中，粘结剂对于电池的循环性能有很大影响。电池中粘结剂的用量较少，所以要对它进行定量的表征分析比较困难，要在真实体系中研究粘结剂与活性材料、导电添加剂、集流体、隔膜等的相互作用也很困难。

随着下一代新型电池的发展，粘结剂的形式也可能发生改变。目前对它的理论和实验研究都还相对较少。

黄云辉： 在实际应用中，需要对各种性能进行综合考虑和协同提升。这其中，安全性以及相关的热量管理和电池管理系统都非常重要，但在基础研究中还没有得到足够的重视。

关于电池的热量管理，除了材料本身，还可以通过辅助手段，借助热量管理系统和循环系统，来调节材料所处的实际温度环境，由此来拓展电池整体的温度适用范围。

孙世刚： 电池研究一定要考虑实际应用场景，以满足实际需求为目标开展。黄老师刚刚讲到的，通过辅助系统来拓展电池的温度极限就是这样一个例子，只有充分考虑不限于电池本身的各方面要素，才能让电池在深空、深海等极端环境中有效工作。

科学研究和产业实践的考虑常常是不一样的。我们做研究，主要目标就是不断提升能量密度，但是做产业应用的人需要考虑更多方面，追求综合性能。所以，我们在基础研究中，也应该更多地考虑需求。

陈军：

电池的实验室研究和产业应用在研究方法和关注维度等方面都存在很大差异。另外，我国高校科研经费大部分来源于政府资金资助，极少部分来源于工业企业，有些工业企业虽然有自身的研发机构，但还亟待完善。将高校的优势和企业的优势进行有机结合，也是将来要重视的工作。

成会明：

研究的思路和产业化的思路确实有很大不同。我想请张院长讲一讲，产业界对电池技术的期望是怎样的？

张宏立： 对于新的电池技术方案，产业界的期望主要有三点，高性能、易制造，以及面向全生命周期的设计。

首先是高性能，具体来讲，要有优异的电化学性能、出色的安全性能、好的机械性能，以及优秀的热学性能。在工业界，我们评价产品不是只看单一指标，而是围绕综合的雷达图，来追求综合维度上的最优解。

其次是易制造。首先，无论一种材料多么优秀，它必须要在工艺上易实现才能真正用于工业生产。第二，要成本可接受，除了航天航空等特殊领域，我们的产品一定要追求物美价廉，尽量降低成本。

第三，我们希望新的技术最好可以兼容现有的工艺设备体系，让已有投资尽量不浪费。第四，生产效率要高，要能够在合适的时间尺度上实现大规模制造。

此外，一定要面向全生命周期进行新产品的设计，要从设计之初就考虑到未来的梯次利用、资源回收利用等问题。

新型电池：安静生长

成会明： 有哪些有潜力的新型电池？

陈军： 在传统锂离子电池基础上，从长远来看，开发有机正极材料是一个可能带来突破的方向。有机正极材料容量高、成本低、绿色环保，可通过丰富的系统性分子设计来构筑电极材料，还有含锂、无锂化合物的灵活组合。

当然，目前有机正极材料还存在一定的挑战，比如电导率较差、功率密度不高、在有机电解液中有一定的溶解性等。目前基于有机正极材料的锂离子电池尚处于实验室阶段，但潜力十足。

此外，有潜力的新型充电电池有钠离子电池、水系电池、锂硫电池、金属-空气电池，其中钠离子电池、水系电池在大规模储能领域有应用前景；在电动汽车领域，需要高能量密度的电池，固态化技术是一个重要方向。另外，作为发电技术的燃料电池已有较长的历史，机遇与挑战并存。

李泓： 我不确定负极含锂的电池是否还属于锂离子电池，但是不管怎样界定，将电解质从液态换成固态都是一个很有希望的方向。

其次，钠离子电池很有潜力。它的材料成本很低，各方面性能也都不错，在家庭储能、规模储能、通讯基站、低速电动车等应用场景中，有希望部分替代铅酸电池和锂离子电池。

当然，还有铝、镁等其他金属的离子电池。但是铝、镁离子电池的循环性和动力学性能很差，很难做成可以多次充电的可逆电池，因此我个人不太看好。

此外，目前还在发展中的新型电池还有锂硫电池。如果它的循环性可以继续提高，有望应用于无人机，或者其他重视质量能量密度，但不特别强调体积能量密度的场景中。

另外还有锂空气电池，它的研究更难一些，可以说是集中了燃料电池、锂离子电池和金属锂电池的难点，相关的基础研究依然处于初步阶段，还需要比较长的时间来发展。

黄云辉： 钠离子电池确实很有希望，但在走向产业化之前，它也面临很多问题。

首先，我们还没有真正了解哪些正、负极材料可以产业化。其次， 虽然它的资源成本很低，但在产业化之前，钠离子电池的整体成本并不低。

尤其是在目前锂离子电池的成本已经相当低的情况下，钠离子电池如何降低成本到足以部分替代锂离子电池的程度，还是一个很大的挑战。

锂硫电池也是一样，相关研究很多，在合适的场景中也有很好的应用前景，但是对于它所固有的缺陷，我们还必须想办法改进。比如，如何降低它的电解液用量以减小体积、如何提高安全性等。

孙世刚： 这些新型电池主要是两类，一类是离子电池，包括钠离子电池、镁离子电池等。第二类是金属电池，包括锂硫电池、锂空气电池等。

其中金属电池的挑战性更大，在具备高能量密度的同时也面临很多问题，比如安全性和循环性不够好。而我认为，由于我们对其中的基础过程理解不到位，所以很多目前的研究思路都不是根本性的思路。

举例来讲，对于锂金属表面长枝晶的问题，我们现在常用人工保护膜等物理方法来改善。但是我认为，枝晶生长的本质是一个溶解和结晶的电化学过程，去控制成核生长过程才是最根本的方法。

当然，要控制锂金属的结晶难度很大，还需要进一步研究锂金属负极在不同电解液中的溶解和结晶规律，从根本上找到解决方法。

所以我还是要强调，在开发新体系的过程中，基础研究非常重要。

张宏立：

对于各种新型电池体系，我们产业界也非常关心。当然，大多数新技术距离产业化还有比较远的距离，其中进展相对较快的可能还是半固态电池，我们希望能在这方面有所突破，之后再逐渐实现全固态。

我很认同我们公司董事长的一个提法，他认为，电池技术的进步50%依赖于材料科学的进步，30%依赖于电池制造技术的进步，另外20%依赖于产品系统设计的进步。

这其中最重要的是材料技术的突破。在这方面，我们公司投入了非常多的精力，并与全球的高校和科研机构积极合作。如果在实验室中出现了基础性的重大突破，我们希望能尽快将其转化为颠覆性的电池产品。

电池的制造技术包括电芯、模组和电池包的制造。目前，我们的制造技术还不能完全满足主机厂的要求，还需要进一步降低成本、提高安全性，并更好地与整车系统相匹配。

最后是产品系统的设计，比如最近业界频繁提到的无模组技术，是否能够真正地将整个汽车底盘做成一体化的大电池，也是努力的方向。

成会明： 我很赞同大家的观点。首先，下一代电池能否取得突破，很大程度上取决于基本科学问题能否取得突破。大家刚才提到的几种新型电池，都已经有比较明确的科学问题，可以针对这些问题进行研究。

其次，我们的研究应该更明确地针对应用场景来开展。区分不同的应用场景，选择合适的电池体系进行针对性的研究，可以加快下一代电池的发展和应用。

天马行空，超越电化学

成会明： 对于下一代电池，我们可能还缺少一点天马行空、发散性的思维。我们需要用创新性思维，来想象一下未来可能出现的全新的电池、全新的储能形式。

孙世刚： 现有的各种储能模式，主要都是通过化学能和电能之间的转换实现的。

具体来讲有两种方式，一种是电容器，将能量储存在界面上，另一种是包括锂离子电池在内的各种电化学电池，用氧化还原反应实现能量的存储和释放。

除了化学能，我们或许可以将生物能、物理能、光能、机械能、热能等各种形式的能量转化为电能，并储存在电池中，从而获得突破传统电化学储能的新的储能方式。

陈军： 储能的目的是突破含能载体的时空限制，在需要的时候以特定形式释放能量，例如以清洁、便捷的电能形式进行释放。而从能量来源的角度看，解决人类能源危机的终极方案还应该是太阳能。

目前的太阳能电池已经有了很好的基础和积累，可能的突破点是仿生太阳能电池，比如模仿光合作用的电池，不需要消耗低丰度、分布不均的锂、钴等资源，直接将光能和二氧化碳、水结合生成含碳、氢的材料，同时释放电能。

另外，对一些高能化学反应，通过合理设计实现对反应产生能量的控制和利用，也有可能产生新的储能形式。

李泓： 现有的储能方式是将能量以电、热、氢等形式储存起来。但不管是哪一种形式，只要是一个封闭的体系，体系的能量密度就是有限的，总有用尽的时候。

最近提出了一种新的思路，我们或许可以借鉴生命体，开发出有“新陈代谢”特征的、开放的储能装置。比如，电鳗可以通过饮食来获取能量，并将其转化为电能，只要它还活着、还能摄食，电能就可以持续产生和释放。

我们也可以开发类似特征的装置，从外界自主吸收各种能量源，并源源不断地转化为电能，这一类装置可以称为活体电池（live battery）。例如燃料电池与逆向燃料电池（reverse fuel cell）的组合，可以依赖外界燃料的持续供给或者借助于太阳能发电而一直运行下去。

类似活体电池的研究目前还不多，但已有一些原型性的工作，包括利用有机反应来存储能量，以及纳米能源系统方面的一些工作，也就是对环境中的机械能进行收集和存储。这样一个动态开放的体系，可以不被传统电池能量密度极限所制约，实现长时间持续自主供电。

孙世刚： 这是很好的想法。要将生物、物理等各种方式融合进来，也一定伴随着材料方面的重大变革，需要将生物材料等各种材料形式融合进来。另外，我们刚才没有着重讨论的燃料电池也确实是一种非常重要的新型电池，而且它本身就是一个开放的体系。

黄云辉： 对于电动汽车，燃料电池和锂电池是两大方向，而且二者各有优缺点。这二者之间也需要融合发展。

事实上，储能技术是一个非常交叉的学科，涉及到材料、化学、电气、智能化制造、信息、机械甚至生物等各个领域。最近，教育部、发改委和能源局联合提出设立储能技术专业，也是希望能够促进学科融合，培养储能领域的新型人才，从而推动该领域的发展。

期待“中国标签”

成会明： 大家如何评价我国的电池研究与产业水平？

张宏立： 我们做过国产电池与日、韩电池的对标分析，结果发现，就单体电池而言，国产单体与日韩单体的差异不大，在某些指标上，国产的甚至更领先一些。但是，在制造层面上，国产电池成品的一致性、良品率显著低于日韩电池。

这些差距来源于设备、人员、控制体系、管理规范等诸多方面的差距，是我们必须承认的客观事实。

在设备方面，我们希望我国自主研发的优质核心设备能进一步提高控制精度、稳定性和稼动率，由此提升电池的整体制造工艺水平。

当然，中国也有自己的优势。我们拥有资源优势，而且产业链非常齐备，四大主材以及各种辅材的生产规模都十分可观，除满足国内需求，还可以出口海外。我相信，如果我们能够充分利用这些优势，一定可以实现从电池大国到电池强国的演进。

成会明：

您能否具体谈谈我国四大主材的水平？

张宏立： 首先是正极材料。在磷酸铁锂材料上，中国有自己的特色，在大规模生产、制造和应用上，我们都是世界首位，但要注意，核心专利并不在我们手上。三元正极材料方面，我们与优秀外企相比还有一定的差距，材料的一致性、杂质控制水平等都还有待提高。

在负极材料方面，我们的生产和大规模应用都是世界领先的，几家头部企业占据了非常大的全球市场份额。不过，在高性能硅碳负极制造和应用技术上，我们还落后于日本的公司。

电解液方面，国内的产量很大，但是核心的电解液配方和添加剂专利大都掌握在欧美或日本人手中。这其中存在潜在风险，是一个需要重点关注的问题。

隔膜的情况也类似，我们在产量上是绝对世界第一，占据了50%以上的全球份额，但是同样，我们不掌握原始核心专利。

所以整体来讲，我们的电池产业链非常齐备，产量很大，也有具有国际影响力的龙头企业，但在核心专利方面还有欠缺。

李泓： 我国的专利情况确实不容乐观，以硫化物固态电池为例，60%的专利都掌握在日本企业手中。

但是另一方面，下一代的电池需要下一代的专利，所以在下一代电池渐进式发展的过程中，我们是有机会改善现有状况的。

过去十几年中，我国的多家企业研究院都积极进行新材料的开发，专利数量也在不断增长。高校和研究所也非常活跃，申请了大量有价值的基于新技术的专利。

孙世刚： 在基础研究方面，我国的工作很多，也有不少工作在国际上有影响力。但是，除了吴锋院士团队提出的多电子理论等少数成果之外，很少有能贴上“中国标签”的重要原创性成果。

过去一些年中，我国论文导向的评价体系带来了一些不利的影响。今后我们应该想办法回归科研本身，允许有能力、有想法的研究团队十年磨一剑，真正去解决重要的科学问题，做出原创性的成果。

成会明： 没错， 我国的论文量很大，但是采用计算与理性设计进行的研究比较少，多数研究既不针对应用需 求，又没有针对科学问题，只是炒菜式地去合成一个材料，或者将一种材料与另外一种材料混合，然后测一测它的电化学性能，就写成一篇文章。这个问题是比较严重的。

另外，我们的多数研究都是着眼于电极材料，而不太关注辅材和整个系统的优化与设计。这也是在今后的基础研究中需要注意的问题。

李泓： 在电池领域，中国发表的论文数量占全世界的60%，是绝对的世界第一。

但是要注意，研究中所使用的高通量计算方法、原位在线表征方法、数字模拟仿真方法等都是由西方国家发明和主导的方法。也就是说，到目前为止，还有很多研究工作是我们不能做、只有国外科学家才能做的。

另外，提到研究工作中的理性设计，我还想引出一个问题，就是我们能不能进行材料的理性设计？目前，研究者提出了材料基因组方法，希望将高通量计算、高通量制备、高通量表征、大数据分析等结合在一起，来进行材料的理性设计。

但是实际上，这种理性设计的难度很大，能够胜任相关工作的研究团队在国内也不多。而且就计算而言，它虽然能够计算一些材料的带隙，但还远远无法真正从头预测电极性能，特备是动力学性能，并实现理性设计。

如何集合各学科的力量，加强更基础的科学研究，最终实现电池材料的理性设计，这是需要进一步探讨的问题。

陈军： 我们需要增加投入、全面布局，并加强产学研深度合作。要有一批人静心科研，专注基础研究和源头创新，也要有一批人钻研技术，聚焦制备工艺和工匠精神。

只有这样不断加强积累、克服急功近利，才会在电池领域出现更多的中国标签。

成会明： 感谢大家的精彩讨论！我和大家一样，相信电池研究和产业还会不断发展、不断突破，为人类社会提供强有力的能源支撑。

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锂电池与氢燃料电池，哪个更有前途？

作为昌滚交通工具，新能源 汽车 追求的也无非是安全和动力，还有续航能力。在这几方面来说，锂电池 汽车 最大的瓶颈是续航能力，氢燃料电池 汽车 的瓶颈是安全性。

作为电动 汽车 的电池，经过了几代的发展，开始是铅酸电池，后来是镍镉和镍氢电池，最后是锂电池。这说明锂电池确有独到之处。无论从能量密度，比功率，还是循环使用寿命来说，锂电池都是目前的最优选择。

但目前最好的锂电池还是只能作到500公里左右的续航能力，这个还是理想功况下的，所以达不到燃油车的水平。开发新的电池是新能源 汽车 的绕不过的任务。

新型电池的努力是多方位的，有石墨烯耐旅余电池，金属空气电池，锂硫电池，超级电容电池等等，任何一种取得突破都将引起 汽车 业的革命。但目前最有可能突破的是固态电池，应该在实验室得到了证实，大公司们都在争分夺秒的研发，看谁最先量产。

燃料电池 汽车 目前最具代表性的是丰田的MIRAI，续航500多公里，还可充当移动发电站，后备箱的插座，够普通家庭一星期镇弊的用电。两大弊端，一是用700个大气压的压力储氢，一旦泄漏或爆炸后果都不堪设想。再是加氢站太少，无处加氢。催化剂用铂并不是大问题，一是用量少，二是已出现替代物。

纯电动的问题在于所充的电从哪里来？说不定也是用煤发的

储能有哪些种类又有哪些优点与缺点

电类储能有多少种类型？电气类储能的应用形式只有超级电容器储能和超导储能。

1、超级电容器储能

根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器，两电荷层的距离非常小(一般0.5mm以下)，采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。

超级电容器储能开发已有50多年的历史，近二十年来技术进步很快，使它的电容量与传统电容相比大大增加，达到几千法拉的量级，而且比功率密度可达到传统电容的十倍。

超级电容器储能将电能直接储存在电场中，无能量形式转换，充放电时间快，适合用于改善电能质量。由于能量密度较低，适合与其他储能手段联合使用。

2、超导储能

超导储能系统是由一个用超导材料制成的、放在一个低温容器(cryogenic vessel) (杜瓦Dewar )中的线圈、功率调节系统(PCS)和低温制冷系统等组成。

能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场中。

超导储能适合用于提高电能质量，增加系统阻尼，改善系统稳定性能，特别是用于抑制低频功率振荡。

但是由于其格昂贵和维护复杂，虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用，在电网中应用很少，大多是试验性的。SMES 在电力系统中的应用取决于超导技术的发展 (特别是材料、低成本、制冷、电力电子等方面技术的发展)。

3、铅酸电池

铅酸电池是世界上应用最广泛的电池之一。铅酸电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电势，这就是铅酸电池的原理。

铅酸电池常常用于电力系统的事故电源或备用电源，以往大多数独立型光伏发电系统配备此类电池。目前有逐渐被其他电池(如锂离子电池)替代的趋势。

4、锂离子电池

锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。

充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态;放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。

由于锂离子电池在电动汽车、计算机、手机等便携式和移动设备上的应用，所以它目前几乎已成为世界上应用最为广泛的电池。

锂离子电池的能量密度和功率密度都较高，这是它能得到广泛应用和关注的主要原因。

它的技术发展很快，近年来，大规模生产和多场合应用使其价格急速下降，因而在电力系统中的应用也越来越多。

锂离子电池技术仍然在不断地开发中，目前的研究集中在进一步提高它的使用寿命和安全性，降低成本、以及新的正、负极材料的开发上。

5、钠硫电池

钠硫电池的阳极由液态的硫组成，阴极由液态的钠组成，中间隔有陶瓷材料的贝塔铝管。电池的运行温度需保持在300℃以上，以使电极处于熔融状态。

日本的NGK公司是世界上唯一能制造出高性能的钠硫电池的厂家。目前采用50kW的模块，可由多个50kW的模块组成MW级的大容量的电池组件。

在日本、德国、法国、美国等地已建有约200多处此类储能电站，主要用于负荷调平、移峰、改善电能质量和可再生能源发电，电池价格仍然较高。

6 、全钒液流电池

在液流电池中，能量储存在溶解于液态电解质的电活性物种中，而液态电解质储存在电池外部的罐中，用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈，并通过电极和薄膜，将电能转化为化学能，或将化学能转化为电能。

液流电池有多个体系，其中全钒氧化还原液流电池(vanadium redox flow battery, VRFB)最受关注。

这种电池技术最早为澳大利亚新南威尔士大学发明，后技术转让给加拿大的VRB公司。

在2010年以后被中国的普能公司收购，中国的普能公司的产品在国内外一些试点工程项目中获得了应用。

电池的功率和能量是不相关的，储存的能量取决于储存罐的大小，因而可以储存长达数小时至数天的能量，容量也可达MW级，适合于应用在电力系统中。

储能优点与缺点：

各种类型的储能系统中，锂离子电池储能是目前技术相对成熟的一种储能方式。以橄榄石型磷酸铁锂为活性物质的锂离子二次电池，具有较高的能量密度、较低的生产制造成本以及使用寿命长等诸多优点。在电动汽车产业的推动下，与磷酸铁锂电池有关的荷电状态估算、电池集成技术、管理系统等方面更是进行了广泛、深入的研究工作。然而，这些研究多数是在电动汽车使用环境、运行工况和使用条件下进行的，其研究成果和结论并不完全适用于以大规模能量输入/输出为特征的电网储能系统。

储能定义：

从广义上讲，储能即能量存储，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。

从狭义上讲，针对电能的存储，储能是指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。

九种储能电池技术优劣对比：

一、铅酸电池　

主要优点：

1、原料易得，价格相对低廉;

2、高倍率放电性能良好;

3、温度性能良好，可在-40~+60℃的环境下工作;

4、适合于浮充电使用，使用寿命长，无记忆效应;

5、废旧电池容易回收，有利于保护环境。

主要缺点：

1、比能量低，一般30~40Wh/kg;

2、使用寿命不及Cd/Ni电池;

3、制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。

二、镍氢电池

主要优点：

1、与铅酸电池比，能量密度有大幅度提高，重量能量密度65Wh/kg，体积能量密度都有所提高200Wh/L;

2、功率密度高，可大电流充放电;

3、低温放电特性好;

4、循环寿命(提高到1000次);

5、环保无污染;

6、技术比较锂离子电池成熟。

主要缺点：

1、正常工作温度范围-15~40℃，高温性能较差;

2、工作电压低，工作电压范围1.0~1.4V;

3、价格比铅酸电池、镍氢电池贵，但是性能比锂离子电池差。

三、锂离子电池

主要优点：

1、比能量高;

2、电压平台高;

3、循环性能好;

4、无记忆效应;

5、环保，无污染;目前是最好潜力的电动汽车动力电池之一。

四、超级电容

主要优点：

1、功率密度高;

2、充电时间短。

主要缺点：能量密度低，仅1-10Wh/kg，超级电容续航里程太短，不能作为电动汽车主流电源。

五、燃料电池

主要优点：

1、比能量高，汽车行驶里程长;

2、功率密度高，可大电流充放电;

3、环保，无污染。

主要缺点：

1、系统复杂，技术成熟度差;

2、氢气供应系统建设滞后;

3、对空气中二氧化硫等有很高要求。由于国内空气污染严重，在国内的燃料电池车寿命较短。

六、钠硫电池

优势：

1、高比能量(理论760wh/kg;实际390wh/kg);

2、高功率(放电电流密度可达200~300mA/cm2);

3、充电速度快(充满30min);

4、长寿命(15年;或2500~4500次);

5、无污染，可回收(Na，S回收率近100%);6、无自放电现象，能量转化率高;

不足：

1、工作温度高，其工作温度在300~350度，电池工作时需要一定的加热保温，启动慢;

2、价格昂贵，万元/每度;

3、安全性差。

七、液流电池(钒电池)

优点：

1、安全、可深度放电;

2、规模大，储罐尺寸不限;

3、有很大的充放电速率;

4、寿命长，高可靠性;

5、无排放，噪音小;

6、充放电切换快，只需0.02秒;

7、选址不受地域限制。

缺点：

1、正极、负极电解液交叉污染;

2、有的要用价贵的离子交换膜;

3、两份溶液体积大，比能量低;

4、能量转换效率不高。

八、锂空气电池

致命缺陷：固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。科学家认为，锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍，可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电，因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术，但如果没有重大突破，要想实现商用可能还需要10年。

九、锂硫电池(锂硫电池是一类极具发展前景的高容量储能体系)

优点：

1、能量密度高，理论能量密度可达2600Wh/kg;

2、原材料成本低;

3、能源消耗少;

4、低毒。

关于硫锂电池突破和锂硫电池研究进展的介绍到此就结束了，不知道你从中找到你需要的信息了吗 ？如果你还想了解更多这方面的信息，记得收藏关注本站。微信号:ymsc_2016