2016年創造性地提出了用不燃燒的固態電池，替代可燃的電解液。

是什么技術，讓中國電池不受資源制約？

鈉離子電池的技術，將有望成為國家電池產業，戰略性地支撐的力量。

又是什么材料，讓中國鋰電領跑全球？

中國可以在這個領域，超越西方國家，這句話放到今天來回想，簡直就像開了天眼一樣。

《科普中國·直擊最前沿》邀請中國科學院物理研究所研究員李泓，講述中國電池的崛起。

崛起的中國電池

弘揚科學精神，普及科學知識，為貫徹落實國務院印發的全民科學素質行動規劃綱要中國科協科普部和北京廣播電視臺共同推出國內首檔科學家演講電視科普欄目。

2024中國汽車重慶論壇在6月6號舉辦，上汽集團的宣布將在2026年量產固態電池，固態電池的能量密度將會超過每公斤400瓦時，同時將會具備更好的安全性能和低溫性能。那么到底什么是固態電池？固態電池的發展和量產又會給我們的生活帶來什么樣的改變呢？

特邀嘉賓李泓：中國科學院物理研究所研究員，國家重點研發計劃儲能與智能電網專項指南編寫總體組組長，他帶領團隊研發出鋰離子電池，納米硅碳負極材料，并開發了高能量密度混合固液和全固態鋰電池，助力中國鋰電領跑全球。

以創新之力，探索電池技術的前沿，用科技之光，照亮社會進步的道路。

鋰離子電池的電解液，一直以來都是廣泛的使用，正常使用的時候是不會有問題的，但在一些極端的情況下，特別是高熱的情況或者過充的情況下，它容易燃燒起火爆炸，大家就在想，能不能把這種容易燃燒的電解液逐漸的減少，最后變成一個不容易燃燒的完全是固體的這個電池，這樣就實現了從液態到半固態到全固態這項技術的迭代和創新。

液態電池，鋰離子在液體中穿梭運動就好像順著河流往前走，如果把所有的液體都抽干了，像一個干涸的土地一樣，科學家就想辦法，如何在一個完全固態的體系里讓離子跑得非常快，所以實際上從液態到固態，還是有很多的科學和技術上的挑戰。

鋰電池到底安不安全？

我們大部分生產的產品，特別是頂尖企業生產的產品，是非常安全的，很少會出現問題的。但因為現在，特別是在電動自行車這個方面，有些銷售商希望電動車跑得更遠，甚至把電動汽車淘汰下來的電池改裝以后直接裝到了電動自行車上，因為畢竟能量密度比鉛酸電池還高，那么不正常的改裝，特別容易導致電池著火，第二就是劣質的電池，制造的時候有很多的缺陷，遇到一些振動極端的情況下，內部容易短路，也會出現導致著火的這種情況。

今天大家如此關注電池，歸功于新能源汽車的崛起，鋰電池是電動汽車的關鍵部件，被稱為電動汽車的“心臟”，在世界汽車大國你追我趕逐鹿新能源車的今天，可以說得鋰電池者得天下。

2023年6月30號，一塊由我國自主研發能量密度達到每公斤360瓦時的半固態鋰電池正式交給電動汽車的龍頭企業，這一進展，標志著中國在電動汽車大國的道路上，又邁出了重要的一步。被認為是全球電動汽車行業的重要里程碑。

鮮為人知的是，到達這一里程碑之前，中國科學院物理研究所科研團隊已經在鋰電池領域潛心耕耘了40余年。

上世紀70年代全球爆發了石油危機，讓全球能源領域第一次意識到，應該找到一種全新的清潔能源的解決方案，作為化石能源的替代品。美國率先布局了未來能源產業，希望能夠繼續稱霸能源界。

1976年末，陳立泉老師正在德國馬克斯普朗克固體化學物理研究所訪問，他發現馬普所正在研究一種固態電解質材料-氮化鋰，這個材料有可能用于開發固態鋰離子電池，預期能量密度遠遠高于當時的鉛酸電池，有望在未來的產業中獲得廣泛的應用。陳老師立即決定，選擇這一方向，他便開始了固態鋰電池的研究。在1988年，第一批的全固態金屬鋰電池在物理所的實驗室誕生，但在當時，其距離商業化應用還非常的遙遠。

起初國內并不掌握液態鋰離子電池的制造方法，更不了解電池的結構。我們通過研究發現，鋰離子電池之所以性能出眾，相對于原來開發的那些電池，主要是它的材料優勢和電極制造的優勢，在鋰離子電池制造電極的時候，是把非常小的正極顆粒做成漿料，涂布在鋁箔上，但要做的很薄，跟以前做電池的工藝完全不一樣，好在咱們中國也參與過電影膠片的制造，電影膠片也是非常多層的一個涂布，我們中科院當時的感光所，現在的理化所，他們也掌握了這個涂布，所以我們跟感光所的老師經過交流，終于理解了如何讓漿料在鋁箔上涂得非常均勻這個核心的技術。經過工程師的改良，那套涂布的裝備，在當時的電池生產中發揮了重要的作用，在進一步持續努力基礎上，陳立泉老師帶領團隊建立了圓柱電池的試驗線，誕生了我國第一顆圓柱鋰離子電池。

數年間正極材料不斷突破，然而負極材料的研發非常緩慢，常規石墨負極材料，接近能量密度極限，已經嚴重制約了鋰電池性能密度的繼續提高，和電動車續航的提升

里程嚴重的制約了電動汽車的發展，而在高能量密度電池，特別是高能量密度負極材料方面，我們是有儲備的，1996年，我在物理所念博士的時候，我們就開始研發高能量密度鋰離子電池的硅碳負極材料，并獲得了系列材料的發明專利的授權，與傳統的負極材料石墨材料相比，硅碳作為負極材料，優勢非常明顯，因為硅材料的理論質量比容量最高可達4200毫安時每克，遠高于石墨的理論容量372毫安時每克，是目前已知負極材料中，理論比容量最高的材料，但是在技術研發過程中，我們需要克服一系列的困難。

在技術研發過程中，李泓和他的團隊又遇到了新的困難，硅碳負極材料在電池充放電過程中，材料體積會增大數倍，這樣的體積變化，輕則造成電池體積膨脹，重則引發電池爆炸。如果問題不能得到解決，新材料將無法使用。

最大的一個技術難題，對硅負極來說，怎么解決在嵌鋰過程中存在的巨大的體積膨脹，而這個問題要不解決，就會限制它在生產實際中的規模化應用。后來，我們通過硅材料的納米化技術，超均勻的分散技術等一系列的技術，終于逐步的解決了這一問題。2013年，我們已經完成了10公斤的小試，在中國科學院先導專項的支持下，開始進入到中試放大的階段，到了2016年底，我們完成了從實驗室到產業化的關鍵的一步，目前已經通過創辦企業建立了萬噸級的生產線，生產的納米硅碳負極材料克容量達到了目前世界的最高水平2000毫安時每克以上，材料的綜合性能，達到已經量產的世界領先水平。

納米硅碳負極材料是我國擁有完全自主知識產權的鋰電池的核心材料，這才有了后來鋰離子電池能量密度的不斷突破，并支持我們開發的動力電池達到了360瓦時每公斤的一個世界級的最高水平。逐漸成為了新一代動力電池的新的標桿和標配。

隨著社會科技的不斷的進步，長續航的新能源汽車、電動航空、智能終端、新能源的存儲、國家安全等領域，對鋰電池提出了更高的要求，需要電池既具備高的能量密度，又要有高的安全性，那傳統的液態電解質的鋰離子電池，能量密度提升越來越有挑戰，因此我們將目光再次轉到了陳立泉老師早期研究的固態電池上面。

固態電池是一種使用固態的電極材料和固態電解質的電池，它可以搭配新的具有更高能量密度的正極材料和負極材料，這樣的話可以讓電芯大幅的減重，根據理論的預測，未來能量密度還可以進一步的提升到600瓦時每公斤以上。這樣的話有可能會支持電動飛機的發展。同時，固態電解質一般情況下不容易爆炸燃燒，用不燃燒的固態電池替代可燃的電解液，固態電池同時能夠實現更高的安全性。

中國要實現鋰離子電池產業的持續領先，必須要發展固態鋰電池，物理所在2016年結合早期的全固態金屬鋰電池和我們開發的液態鋰離子電池，創造性的提出了基于電解液原位固體化的系統的技術路線，開發了具有我國知識產權的固態電池技術的專利群，形成了整體解決方案。2024年6月6號，浙江龍泉磷酸鐵鋰儲能電站順利并網，使得我國在全球范圍內率先實現了固態電池及關鍵材料的量產和商業化應用。

那么 高能量密度固態電池材料和電池究竟是怎么設計出來的，中科院物理所研究院禹習謙老師詳細介紹了實驗室情況及電池制作過程。

幾天前，我們中國科協的萬鋼主席，再次來到這里調研了我們固態電池的發展，他是一直持續的關心推動中國鋰離子電池技術的進步。

如今，我國在動力儲能鋰電池市場，全球占有率均位居世界第一，鋰電池中91.6%的專利技術來自于中國，這是過去30多年來，科學家和工程師共同努力的結果。

目前我國80%的鋰資源依賴進口，一旦在全球的鋰資源供應上出現了不足的時候，對產業發展損害會比較大，因此我們必須開發不受資源限制的電池技術，那么在所有的電池中，鈉離子電池是一個非常合適的選擇。中國科學院物理研究所胡勇勝研究員他們提前布局了鈉離子電池的基礎研究，在國家需要的時候挺身而出。

2017年我們已經建成了百噸級材料的中試線，包括正極和負極，以及兆瓦時級產能的電池線，研制出了能量密度達到了150瓦時每公斤，循環壽命超過4500次的鈉離子電池，并先后完成首座100千瓦時的儲能電站的示范，以及首座1兆瓦時的鈉離子電池的光儲充智能微網系統的一個集成。那么這些世界第一的創造，也給世界范圍內提供了鈉離子電池可以商業化的一個信心，我們相信鈉離子電池的技術將有望成為國家電池產業，和儲能技術發展的戰略性的支撐的力量。

經過30多年的技術發展，我們國家已經形成了以液態鋰離子電池為基礎，半固態電池進入市場，全固態電池全面研發，鈉離子電池產業化的多種電化學儲能技術加速發展的一個態勢，我們也將會和世界范圍內的優秀團隊繼續密切合作，為中國電池技術的進步，為人類社會更高質量的發展，為雙碳目標的實現，作出重要的貢獻。

北京萬龍精益導控技術有限公司研制的Feli1200電池超聲波檢測系統已服役于中科院物理所，服務固態電池的開發，助力新能源電池產業升級。

Feli 系列電池超聲波檢測系統在鋰電池研究領域具有很大的優勢。利用聲波對電芯內物理化學變化的敏感性進行原位無損的成像，進而得到電池內部狀態變化信息。可以對電解液的浸潤狀態、電芯副反應產氣、電芯析鋰的進行研究，以及對電芯荷電狀態和循環穩定性等進行預估，為電池的健康狀況進行綜合評估、為優化電池裝配工藝、分析電池失效機制等方面提供了無損技術手段和有效途徑，有助于實現電池的安全性預警與故障的及早排除。

Feli 系列電池超聲波檢測系統是一種無損原位表征手段，廣泛應用于電池生產廠、高校、研究院所，消防以及電池回收利用等領域。

可實現多種顯示功能：A掃描波形、B掃描斷面圖、C掃描圖像、D掃描顯示、層析等。可通過缺陷識別功能統計析鋰面積、氣泡面積、浸潤效果等數據。

相較于傳統電性能電池檢測手段，有助于縮短電池的研發周期，特別是與充放電、溫度控制相結合全壽命實時在線可視化電池內部變化。及超聲信號早于電信號，有助于電池熱失控早期預警等優點。

電池超聲檢測技術具有效率高、成本小、無污染且定位精準的特點，為電芯研究、生產、服役、梯次回收提供了有效的原位免拆解表征手段。

該技術可用于：軟包電池、硬殼電池、固態電池等

以上相關信息來自：《科普中國·直擊最前沿》20240623崛起的中國電池