【電池中國(guó)網(wǎng)11月16日 上海訊】11月16日，在第十屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2025)開(kāi)幕式上，福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)，加拿大皇家科學(xué)院院士張久俊作題為“新能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換中的前沿電池發(fā)展”的主旨發(fā)言。

　　以下為現(xiàn)場(chǎng)速記：

　　尊敬的各位同仁大家上午好!

　　非常榮幸能夠受邀參加國(guó)內(nèi)這么重要的電池方面的會(huì)議，今天想和大家分享下能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換中前沿?zé)狳c(diǎn)——電化學(xué)能源技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展，剛才聽(tīng)了孫院士的報(bào)告，他講得非常深入，由淺入深，講得非常好。我也向他學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取講得好一些。

　　首先介紹下福州大學(xué)成立的新能源材料與工程研究院(學(xué)術(shù)研究院)，由福建省政府大力支持，目前有五個(gè)中心，我們購(gòu)置了一系列的原位設(shè)備，對(duì)電池材料、電解質(zhì)等做深入研究，因?yàn)槲覀儺吘故谴髮W(xué)，要培養(yǎng)人才，尤其是碩士研究生、博士生，很重要的指標(biāo)是要發(fā)高水平的文章，高水平文章就離不開(kāi)計(jì)算和原位測(cè)試。

　　這是我們團(tuán)隊(duì)，目前有120多人，包括碩士生、博士生，我們的老師。我今天給大家匯報(bào)我們團(tuán)隊(duì)的工作，主要是他們做，在這里也感謝他們。

　　報(bào)告分幾個(gè)部分，首先我們講講化石能源、新能源發(fā)展的趨勢(shì)，剛才孫院士已經(jīng)講的非常多，我就快速過(guò)一下。我們可以把能源分為兩部分，一是化石能源，二是可再生能源，可再生能源是目前要發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，因?yàn)檫@牽扯到人類發(fā)展的可持續(xù)性。

　　實(shí)際上我們提出發(fā)展新能源，已經(jīng)有七八十年的歷程，當(dāng)然到目前為止在全世界范圍內(nèi)，可持續(xù)的能源實(shí)際上只占所有能源的16%，其中84%還是碳、石油、天然氣等等，包括核能，目前80%還都是用這種能源。

　　所以現(xiàn)在16%還不夠，現(xiàn)在在大力發(fā)展新能源，問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，為什么發(fā)展這么多年還沒(méi)有達(dá)到我們需要的(占比)，新能源占總體能源的一大部分就是因?yàn)榇嬖谥魬?zhàn)，有四個(gè)主要的挑戰(zhàn)：

　　第一，可靠性不足。太陽(yáng)能、風(fēng)能是與氣候有關(guān)的。

　　第二，運(yùn)輸和分配困難。

　　第三，并網(wǎng)困難。太陽(yáng)能、風(fēng)能產(chǎn)生的電能往大電網(wǎng)里并還是相對(duì)比較困難。

　　第四，成本較高，投資多，見(jiàn)效不快。

　　這是四個(gè)主要的挑戰(zhàn)，使得我們現(xiàn)在新能源發(fā)展慢，當(dāng)然現(xiàn)在在加速。為了解決這些問(wèn)題，要發(fā)展高性價(jià)比的、可靠、便利的清潔能源，存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化的技術(shù)非常重要、也非常有必要。

　　剛剛講到能源存儲(chǔ)，現(xiàn)在發(fā)展新能源必須要發(fā)展能源存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室剛才講了氫能的存儲(chǔ)。這里面主要有幾種，一個(gè)是電化學(xué)的方法，包括制氫，包括電池等等，這都是儲(chǔ)能技術(shù)。第二是飛輪，空氣壓縮、水電磁性超導(dǎo)體都可以用作儲(chǔ)能。今天主要給大家講一下電化學(xué)的方法，尤其是電池的方法。

　　我們看一下電化學(xué)的技術(shù)，回顧一下什么是電化學(xué)技術(shù)，這里列出了十幾種。包括常用的鈉離子、鋰離子、燃料電池，以及制氫，鋰硫電池等，都是電化學(xué)技術(shù)，目前電化學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是最可行、且最有效的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換清潔能源的方式之一。

　　怎樣衡量一個(gè)電化學(xué)的裝置，無(wú)論手機(jī)里的電池，汽車?yán)锏碾姵兀€是制氫等這些設(shè)備，怎樣來(lái)衡量，有五個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)。

　　第一，能量密度，牽扯到續(xù)航里程，越高越好。

　　第二，功率密度，這牽扯到充放電的時(shí)間，需要多長(zhǎng)時(shí)間充滿，需要多長(zhǎng)時(shí)間放完，就是這樣一個(gè)概念。

　　第三，循環(huán)壽命，當(dāng)然循環(huán)次數(shù)越高越好，比如現(xiàn)在鋰電池最靠譜的可以達(dá)到2000、3000次，這樣就能夠滿足新能源汽車的發(fā)展。

　　第四，價(jià)格越便宜越好。

　　第五，安全性。尤其新能源汽車的鋰電池的安全性，盡管近幾年提高的非常快，但是還是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，在這方面都在大力攻關(guān)。

　　這是根據(jù)能量密度、功率密度、壽命和價(jià)格列的典型的電池，我們看不同的電池有不同的性能，不同的性能就可以用在不同的場(chǎng)所，可以根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)所來(lái)選擇不同的電池。我們可以看到電化學(xué)電池有很寬廣的應(yīng)用范圍，比如運(yùn)載裝備、能源存儲(chǔ)、電子通訊、國(guó)防航天等。

　　下面講一下幾個(gè)目前發(fā)展的前沿電池，以及我們自己所做的工作。

　　第一，固態(tài)鋰電池的發(fā)展。為什么要選擇鋰電池?因?yàn)殇囯姵赜泻芨叩哪芰棵芏龋@樣就適宜于在汽車中使用，所以這是用在新能源汽車最重要的根據(jù)，它的能量密度高，可以從100Wh/kg到350Wh/kg，并且有很高的功率密度，這就是鋰電池。鋰電池的材料上半部分正極材料，下半部分是負(fù)極材料。正極材料比較常用的是磷酸鐵鋰以及三元，負(fù)極材料主要是石墨，但是為了進(jìn)一步地提高能量密度，正極也在發(fā)展，負(fù)極發(fā)展硅碳材料以及鋰金屬材料。

　　我們看看發(fā)展固態(tài)電池，為什么要發(fā)展固態(tài)電池?液態(tài)電池做得非常成熟了，為什么還要進(jìn)一步發(fā)展固態(tài)電池?因?yàn)槔碚撋嫌心敲磶讉€(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。

　　第一，安全性高，它是固態(tài)電解質(zhì)，所以我們想象它的安全性應(yīng)該高。

　　第二，能量密度高，電解液的電化學(xué)窗口比較大，比較寬，所以它能提高能量密度。

　　第三，熱穩(wěn)定性好，牽扯到溫度的范圍更廣，結(jié)構(gòu)緊湊。

　　這幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)是我們現(xiàn)在要發(fā)展全固態(tài)鋰電池的原因，但這幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)是我們想象的，存在的挑戰(zhàn)主要是三個(gè)。

　　第一，固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率一般都是比較低。

　　第二，比較貴。

　　第三，電解質(zhì)界面的問(wèn)題，這是一個(gè)非常令人頭疼的問(wèn)題，相當(dāng)于是攻關(guān)的重點(diǎn)方向。

　　需要鋰電池能夠達(dá)到10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但是實(shí)際上達(dá)不到。我們現(xiàn)在研發(fā)的兩個(gè)重要方面：第一，能源密度;第二，安全性。

　　對(duì)于下一步的無(wú)人機(jī)、低空經(jīng)濟(jì)、機(jī)器人等都需要高能量密度的電池，但是同時(shí)又要有安全性，所以這是兩個(gè)最重要的指標(biāo)。

　　說(shuō)一下目前的狀態(tài)，目前鋰電池的狀態(tài)靠譜的大約是300Wh/kg的水平，宣傳350Wh/kg、400Wh/kg是實(shí)驗(yàn)室做的比較多，能用估計(jì)是在300Wh/kg，比較保守的說(shuō)一下。到2030年要達(dá)到500Wh/kg這樣的能量密度水平，才能在無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等方面應(yīng)用。

　　實(shí)際上高能量密度全固態(tài)電池，現(xiàn)在主要做的研發(fā)最多的幾個(gè)方面，一個(gè)是電解質(zhì)，一個(gè)是界面。電解質(zhì)目前有四種，一個(gè)是氧化物，一個(gè)是硫化物，一個(gè)是高聚物，還有一個(gè)是最近幾年發(fā)展比較快的氯化物。最近在Natural和Science都發(fā)表了幾篇文章。

　　這是我們團(tuán)隊(duì)的工作，我們集中在固態(tài)電解質(zhì)的方面，來(lái)提高鋰離子傳導(dǎo)的速度以及分析它的機(jī)理。比如說(shuō)金屬有機(jī)框架引入到聚合物電解質(zhì)中產(chǎn)生了快速的離子通道，由于時(shí)間關(guān)系就不展開(kāi)了。還有發(fā)展樹(shù)干結(jié)構(gòu)的柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，這種固態(tài)電解只可以使離子的導(dǎo)電率大約是在1.1左右，有較高的牽引數(shù)和較穩(wěn)定的電化學(xué)窗口。

　　還有發(fā)明了三明治的電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，電解質(zhì)在正極和負(fù)極這兩個(gè)界面上進(jìn)行涂層，這樣就提高了界面的穩(wěn)定性。另外發(fā)明了一種外硬內(nèi)軟的固態(tài)電解質(zhì)，充進(jìn)去的時(shí)候，是液態(tài)。但是通了電之后，就變成固態(tài)。這樣就提高界面-界面的穩(wěn)定性，以及提高它的離子導(dǎo)電率，這是我們的工作。

　　第二個(gè)想給大家匯報(bào)的是鋰硫電池，大家肯定比較熟悉這個(gè)電池，為什么要發(fā)展鋰硫電池，就是因?yàn)樗泻芨叩哪芰棵芏取１热缯f(shuō)硫負(fù)極的能量密度理論上可以達(dá)到2760Wh/kg，即使裝成電池，理論上也能夠達(dá)到上千Wh/kg，有大力發(fā)展的潛力。根據(jù)我們做的工作以及天津大學(xué)等單位做的結(jié)果，目前鋰硫電池已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化的前沿，電堆在飛機(jī)上也可以跑，是這樣的結(jié)果，因?yàn)樗哪芰棵芏雀摺?/p>

　　我們要想達(dá)到500Wh/kg的水平，我認(rèn)為只有三種電池要發(fā)展。

　　第一種，鋰金屬的電池。

　　第二種，鋰硫電池。

　　第三種，鋰空氣電池。

　　但是這三種電池里面我個(gè)人覺(jué)得目前最接近產(chǎn)業(yè)化的就是鋰硫電池，我想給大家分享一下鋰硫電池，鋰硫電池的結(jié)構(gòu)實(shí)際上和鋰電池是一樣的，只不過(guò)正極、負(fù)極、電解質(zhì)是不同的材料。當(dāng)然這里面存在幾個(gè)問(wèn)題，實(shí)際上我們正在攻關(guān)，有的攻關(guān)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。首先硫?qū)щ娐室停诙€(gè)是體積膨脹，第三個(gè)是穿梭效應(yīng)。因?yàn)榱虻倪€原反應(yīng)不專一，產(chǎn)生多具硫化物，轉(zhuǎn)到負(fù)極上，使得電機(jī)的性能下降。還有安全性，主要是這四個(gè)方面。我們?cè)谶@四個(gè)方面，比如說(shuō)在硫正極、隔膜電解質(zhì)、負(fù)極都要下功夫，都在進(jìn)行攻關(guān)。

　　這是我們團(tuán)隊(duì)做的鋰硫電池的正極材料，這是在上海大學(xué)的團(tuán)隊(duì)做的工作。主要是在鋰正極上摻雜，當(dāng)然摻雜不是簡(jiǎn)單的摻雜，而是通過(guò)化學(xué)的方法與其他的方法進(jìn)行摻雜，這樣能夠使得反應(yīng)具有單一性，控制穿梭效應(yīng)，提高性能。我們還做了這樣一個(gè)正極材料，硫粒子外面包裹一層導(dǎo)電的膏劑物，外面涂一層氧化石墨烯，這個(gè)有很好的性能。然后在負(fù)極上面采取保護(hù)，與聚合物的保護(hù)層，包括無(wú)機(jī)物的保護(hù)層。

　　第三個(gè)大的前沿電池講一下鈉電池的發(fā)展，為什么要發(fā)展鈉電池?因?yàn)殁c電池的結(jié)構(gòu)和鋰電池差不多，其實(shí)現(xiàn)在的鋰電池的生產(chǎn)線可用于發(fā)展鈉電池。主要是資源優(yōu)勢(shì)明顯非常明顯。剛才孫院士也講了中國(guó)的鋰只占全球的7%，實(shí)際上用的鋰占全球鋰的總量70%，這里面面臨卡脖子的問(wèn)題。另外鋰資源非常少，但是鈉元素資源豐富，所以它的優(yōu)勢(shì)非常明顯。低溫性能比較突出，我們知道鋰電池在零下負(fù)20度以后，基本上容量下降很多，但是鈉離子電池還擁有90%以上的放電效率。

　　鈉離子的正極材料目前主要有三種。

　　第一種，過(guò)渡金屬氧化物。

　　第二種，聚陰離子化合物。

　　第三種，普魯士藍(lán)。

　　負(fù)極主要是插入型的、轉(zhuǎn)換型的、合金以及有機(jī)材料。

　　這是上海大學(xué)能源研究院趙教授團(tuán)隊(duì)的工作，我們從三個(gè)主要的方面來(lái)研究提高鈉離子電池的性能。第一，電機(jī)電解液界面的調(diào)控，主要是納米尺度的。第二，短程有序的結(jié)構(gòu)調(diào)整，是介觀尺度的，第三個(gè)是原子尺度的，電荷與自旋調(diào)控。我們發(fā)展層狀氧化物的正極材料，只要是在相上進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到好的性能。

　　在電化學(xué)性能方面我們能夠達(dá)到在負(fù)40度的情況下，180圈還有76%的保持率，我們繼續(xù)把它的裝成電池，能量密度也可以達(dá)到202Wh/kg，常溫的倍率性能可以達(dá)到20個(gè)C，功率密度可以達(dá)到7.75kg/公斤。

　　在負(fù)極方面我們主要是發(fā)展硬碳負(fù)極，提高硬碳負(fù)極的倍率以及低溫性能，這方面我們做了很多工作。

　　第四個(gè)是前沿電池技術(shù)，氫能質(zhì)子交換膜燃料電池，剛才孫院士已經(jīng)講的很透徹了，所以我就快速地給大家過(guò)一下。燃料電池很多種，實(shí)際上現(xiàn)在用的最多的是在新能源汽車?yán)镉玫馁|(zhì)子交換膜燃料電池，因?yàn)樗脷淠茏鳛槿剂系牧闩欧牛芰棵芏纫埠芨撸覀冎涝谠刂芷诒砝镒钌厦娴哪莻€(gè)就是氫，第二個(gè)才是鋰，要用氫能燃料電池的話，它的能量密度很高。

　　它的反應(yīng)剛才孫院士已經(jīng)講的很清楚了，就是氫氣加氧氣生成水的過(guò)程，是零排放。我們看看有幾個(gè)主要的核心技術(shù)：

　　一是催化劑，我們從這個(gè)圖里可以看到綠色就是可以產(chǎn)業(yè)化的，主要是鉑催化劑，鉑催化劑我們知道它稀少還貴，我們目前要發(fā)展低鉑催化劑，和非鉑催化劑，孫院士他們目前在廈門大學(xué)就代表了世界上最高水平(非鉑催化劑)。

　　二是質(zhì)子交換膜，這個(gè)目前主要是在磺酸膜，我們目前在做高溫的質(zhì)子交換膜。

　　三是膜電極，它是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，七層結(jié)構(gòu)，這個(gè)國(guó)內(nèi)目前可以生產(chǎn)。

　　四是雙基板，我們目前已經(jīng)可以做。

　　五是高壓空氣泵，這也是一個(gè)核心技術(shù)。

　　燃料電池至少發(fā)展了一百年，為什么到現(xiàn)在還沒(méi)有大規(guī)模地產(chǎn)業(yè)化，像鋰電池汽車一樣，燃料電池的汽車還沒(méi)有大規(guī)模推廣以及產(chǎn)業(yè)化，就存在著幾個(gè)挑戰(zhàn)。總體挑戰(zhàn)：

　　第一，燃料電池耐久性應(yīng)用在汽車?yán)锏膭?dòng)態(tài)操作的情況下，它的溫度、壓力、電壓、電流都在變，這樣對(duì)電堆會(huì)產(chǎn)生一定的影響，這是科學(xué)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

　　第二，燃料電池堆的各個(gè)部件都比較貴，這就是經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)，加氫設(shè)施普及程度比較低。你有燃料電池汽車但沒(méi)有地方加氫，這是一個(gè)大問(wèn)題，不像鋰電池的汽車有充電站，現(xiàn)在也逐步在推廣，油車有加油站，大規(guī)模氫產(chǎn)業(yè)化還要大力發(fā)展。

　　這是我們團(tuán)隊(duì)做的工作，我們從燃料制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫以及用氫四個(gè)環(huán)節(jié)都做了一些，主要還是在燃料電池方面做得多，我們最近也在做電解水，但是燃料電池方面我們做的催化劑也比較多，發(fā)展各種各樣的催化劑。

　　這是我們發(fā)展的催化劑，支持在金屬氧化物上的催化劑，這個(gè)催化劑性能非常好，為什么好，我們就使用了同步輻射，以及大數(shù)據(jù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)催化劑粒子與質(zhì)子體之間的相互作用非常強(qiáng)，并且使催化劑性能好以及穩(wěn)定性比較好。

　　我們另外發(fā)展高溫質(zhì)子交換膜燃料電池，這是我們的PPM膜以及性能，目前性能在非常低的鉑催化劑的情況下，可以達(dá)到將近兩瓦/平方厘米的水平。這是我們?cè)谶@方面的建設(shè)。

　　我們目前正在進(jìn)行氣體擴(kuò)散層，燃料電池里最重要的部件之一就是氣體擴(kuò)散層，我們的氣體催化層的黑點(diǎn)比起我們買的性能要好，現(xiàn)在正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

　　第五個(gè)是我們現(xiàn)在正在做的水系電池，我們集中在水系的鋅硫電池，一是水系就非常安全，二是鋅和硫都比較便宜，所以這有很大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，并且理論能量密度非常高。比如可以達(dá)到1675毫安時(shí)/克的高容量。目前我們選擇發(fā)展它的電解質(zhì)，發(fā)展有機(jī)水混合溶液的電解液，這個(gè)文章目前已經(jīng)在nature子刊上發(fā)表，大家有興趣可以去看看。

　　這在電解液的調(diào)控進(jìn)行了一系列的工作，我們提出了硫還原反應(yīng)的機(jī)理，來(lái)增加電解液，可以增加硫反應(yīng)的選擇性，減少穿梭效應(yīng)。我們目前做的電池能夠達(dá)到將近300Wh/kg的水平，在兩天循環(huán)的情況下可以循環(huán)一千圈，衰減率只是0.034%的水平。

　　我們另外做的一個(gè)工作，目前一個(gè)中心正在做人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)篩選電池材料以及電解質(zhì)材料，目前建立了一個(gè)數(shù)據(jù)，包括兩萬(wàn)多個(gè)電解液的電解質(zhì)溶液的大數(shù)據(jù)庫(kù)，利用這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)訓(xùn)練機(jī)器，進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，這是我們發(fā)展的鎂電池，我們用鎂電池來(lái)作為一個(gè)例證來(lái)做人工智能方面的工作。

　　當(dāng)然這個(gè)工作主要是基于數(shù)學(xué)上的大計(jì)算還有分子軌道理論等等一系列理論上的工作，我們劉教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在做這個(gè)工作，我目前也在不斷地學(xué)習(xí)這方面的工作。

　　總結(jié)下今天給大家匯報(bào)的內(nèi)容，化石能源肯定是不可持續(xù)的，所以我們要大力發(fā)展新能源，在新能源汽車方面還是要發(fā)展，不能滿足于鋰電池，鋰液態(tài)電池，我們還要進(jìn)一步發(fā)展下一代電池，進(jìn)一步提高能量密度，進(jìn)一步提高安全性。在這方面我們就要在能量密度、功率密度、壽命、安全性上下功夫，這里面主要是電極材料以及電解液材料，這是兩個(gè)最重要的方面。

　　在這過(guò)程中我們要使用現(xiàn)代化的手段，比如說(shuō)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大計(jì)算、原位測(cè)試等等來(lái)理清整個(gè)反應(yīng)的機(jī)理，進(jìn)一步發(fā)展新材料。

　　最后我想給大家提出一個(gè)我個(gè)人的思考，這個(gè)圖上的縱坐標(biāo)是能量密度，橫坐標(biāo)是功率密度，實(shí)際上我們現(xiàn)在用的內(nèi)燃機(jī)是最上面的，現(xiàn)在所有的電池沒(méi)有發(fā)展到內(nèi)燃機(jī)的水平，因?yàn)楝F(xiàn)在能夠用的無(wú)人機(jī)都用的是汽油機(jī)，內(nèi)燃機(jī)的能量密度是最高的。我們現(xiàn)在努力的方向就是朝著內(nèi)燃機(jī)能量密度前進(jìn)，能夠比較接近的能量密度的幾個(gè)電池，我個(gè)人覺(jué)得燃料電池有可能，全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、金屬空氣電池可能比較接近。所以這個(gè)過(guò)程我們就要發(fā)展前沿電池，用現(xiàn)在的液態(tài)鋰電池可能希望不大，肯定達(dá)不到那一步。

　　要發(fā)展這些電池，我們目前發(fā)展的固態(tài)電池，我們想象更高的能量密度、更高的安全性，但是目前據(jù)我個(gè)人觀察，也許不對(duì)，還沒(méi)有真正地證明固態(tài)電池比液態(tài)鋰電池有更高的能量密度，更安全性。這需要我們業(yè)內(nèi)同行進(jìn)一步工作，進(jìn)一步做固態(tài)電池，爭(zhēng)取真正證實(shí)固態(tài)電池確實(shí)比液態(tài)電池有更高的能量密度、更高的安全性。這是需要我們做大量的工作。假如不能證明這一點(diǎn)，那我們發(fā)展固態(tài)電池是干什么用，這是一個(gè)很大的問(wèn)題。

　　謝謝大家!

　　(以上為演講速記，未經(jīng)演講者審閱。)