近日，在江苏省科学技术协会指导下，“江苏省能源研究会2022年学术年会”在线上顺利召开。本次学术年会由江苏省能源研究会、常州科学技术协会主办，由南京农业大学、常州大学、光大环保技术装备（常州）有限公司，以“‘双碳’目标赋能经济社会高质量发展”为主题，江苏省市各级科协、江苏省能源研究会全体会员、苏州大学等部分科研院校代表参加了此次会议。

苏州大学能源学院成立于2009年，其前身是1983年成立的物理系能源利用教研室，是全国最早创建和发展的、以能源命名的学院之一，该院设立了全国首批新能源材料与器件本科专业并获批江苏省一流本科专业。苏州大学能源学院院长晏成林在此次学术年会上就“高比能长续航耐低温锂电池系统”进行了主题发言。

晏成林

锂电行业面临的挑战

资料显示，目前生产1KW锂离子电池要使用0.5kg锂，世界金属锂储量仅可用100多年。我国锂资源以盐湖为主，镁锂比高、提取难度大，70%的锂依赖进口。预计到2025年，我国锂电产能将达到3900GWh，需要39万吨锂金属。晏成林介绍道：“不仅锂资源消耗大，锂离子电池能量密度也已接近理论极限。锂离子电池能量密度限制了多场景应用，如果要提高无人机等装备的航速、航程，都需要大幅度提高电池的能量和功率密度。目前的半固态电池、固态电池、新型锂硫电池等下一代新电池体系，都是以长续航为目标去开发的。”

“在以长续航为目标去开发的前提条件下，我们亟需突破全温区电池技术，”晏成林进一步介绍道，“目前的锂电池普遍低温性能较差、高温性能不稳定。我国南方气温高于北方，新能源汽车普及率也明显高于北方，这就是业内人士常说的‘电动汽车不过山海关’。在低温环境中，锂离子电池电解液黏度会变大，离子迁移速度变慢，充放电能量急剧衰减，导致新能源汽车在低温气候条件下续航里程急剧下降；此外在高温环境下，电池正负极界面不稳定导致材料结构破坏，锂电的高温循环性能会变得很差，这也是限制锂电在新能源汽车、工业储能领域应用的关键技术问题。下一阶段，新能源汽车如果想在国内‘遍地开花’的话，就必须尽快突破全温区电池技术。”

“现有锂离子电池面对的挑战就是安全性问题。由于过充诱发电池正极材料产气导致电池胀裂、快充导致电池负极析锂诱发短路、快充快速升温导致电解质液体燃烧等问题，锂离子电池容易发生电池热失控引发的安全性问题，”晏成林总结道，“目前新能源电池尚面临长续航电池的开发、全温区电池的突破及高安全电池的应用等制约，技术瓶颈亟须解决。为了整个产业的健康发展，我们需要更好的新一代技术解决以上问题。”

如何从技术方面应对挑战

一是实现高比能长续航，解决低温行驶问题。“我们通过全液相反应机制来实现锂硫电池在低温下容量的发挥。常规电解液是纯粹集聚态固相反应，而固相反应动力学要比液态慢，于是我们用分子动力学模拟电解液在溶剂化状态下的电解液液相转移机制，实现离子在低温下传输缓慢的问题。”晏成林说，“这种新机制在零下40摄氏度还能保持78.2%的性能，在零下60摄氏度还能正常充放电。”

二是实现超低温锂电池技术。“我们通过非晶化加速低温下锂离子动力学电极材料，模拟为电极材料的致密晶格结构使超低温下锂离子扩散。通过理论方法去验证相同的结晶结构以及非晶结构的对比，包括非晶化的加速，实现低温下离子动力学的一个改变的方案，促进锂电池的优异循环。”

三是构建无离子偶极相互作用，解决正极材料容量保持率。“电解液中强的离子偶极相互作用是低温电荷转移电阻的主要来源，离子和偶极之间的渐变电阻构建了低温下的快速离子转移。我们通过构建新型溶液体系，通过动力学模拟，很快从溶剂化脱离出来，低温下离子偶极作用更明显，”晏成林进一步解释道，“最终，我们通过匹配低浓度离子电解液和普鲁士蓝正极材料，在零下60摄氏度还能展现83.1%的超高室温容量保持率和优异的循环性能，低温寿命及续航里程都优于普通材料。”

晏成林认为，提升电池体系的能量密度包括构建高容量高电压正极和高容量低电压负极。在正极材料的选择上，将由钴酸锂到磷酸铁锂、到高镍三元材料、最终往硫元素或氧元素方向发展；在负极材料的选择上，由石墨到硅、最终将向锂金属发展。不过，使用锂金属负极和高电压正极也会带来安全性的问题。对于锂金属，基础研究领域和业界都做了很多尝试和试验，如构筑人工SEI膜、构筑三维结构金属负极、调控锂金属电极和电解液界面等，从而提高电池的循环寿命。在正极材料方面，则需要通过调控层状正极材料的表面结构、强化锂离子传输过程提升锂离子电池的能量密度和功率密度。“为进一步地提高电池安全性能，研究中还要格外注重强化锂离子传输通道，维持材料在微观尺度下的结构稳定；强化电子传输通道，维持电极和电池的导电网络；强化电池热传出，抑制电池热失控。”晏成林说。

万亿级电池市场已经开启

据彭博新能源财经2022年6月的预估，到2035年全球电池的需求量将超过4700GWh，相较2020年全球锂电池装机量137GWh，15年间将增长34倍，需求增速几乎达到了每年再造一个市场的水平。晏成林表示，随着全球电动化及储能双双进入快车道，电池需求即将进入新一轮爆发，万亿级电池市场已经开启。

“从最早1991年商业化的手机、笔记本电脑等消费品电池市场，到如今户外移动电源、深空探测、深海探测、UPS电源（不间断电源系统）、重型卡车、无人机、5G基站、轨道交通乃至军工装备等场景，都涉及电池的应用；同时，在储能领域的应用也非常关键，风力发电、光伏等新能源电力属于间歇式能源，需要配备储能系统，光伏加储能的移动电源市场前景也非常广阔；此外，潜艇、坦克、无人机等军工装备以及深空、深海探测装备都需要锂电池去驱动，”晏成林侃侃而谈，“从民用消费类电子市场渗透到军用体系，未来的发展空间非常广阔，有些应用还仅仅是刚开始。高性能锂离子电池是我国战略性新兴产业和尖端国防装备的重大需求，所有市场的爆发也是基于‘双碳’背景下解决能耗问题的需求。‘双碳’背景下新能源的发展一定要靠技术推动，技术发展才能让降碳成为可能。”

晏成林还简要介绍了锂硫电池、锂-空气电池、锂-氟碳电池等技术，还特别提到了目前全球锂资源匮乏的现状。“全球对锂电池的需求猛增，锂资源更加稀缺。2022年5月，四川一座锂矿溢价近600倍 , 以20亿元的价格被拍出，碳酸锂的价格也从5万元/吨飙升至51万元/吨。”在对下一代非锂电池的展望中，钠离子电池也被他看好。“为了应对锂资源匮乏，我们也始终在寻找替代方案，目前我们团队开发了锌离子电池、钠离子电池等新型电池。钠与锂具有相似的化学性质，在地球上储量极为丰富，不存在资源匮乏的问题。但由于钠原子半径更大，电化学势能比较低，钠离子电池能量密度上与锂离子电池相比则具有先天劣势。所以，一旦钠离子电池在储钠新材料、新型电解液方面有所突破，也将有望成为新的风口。”他指出，钠电池不受空间限制，储能成本低，在储能领域大有可为。