中国科学院院士孙世刚：新能源汽车动力电源发展与挑战

2022年11月9日-10日，2022中国（遂宁）国际锂电产业大会暨新能源汽车及动力电池国际交流会在遂宁举办。来自国内外行业组织代表、行业有关知名企业家等400余人汇聚一堂，聚焦行业关注重点，展望前沿趋势，共谋产业发展。

本次大会以“‘锂’想生活 低碳未来”为主题，为期3天的会程中，将开展“1+3+6+1”活动，即1个开幕式及主题论坛、3场座谈交流会、6场专题论坛、1个锂电消费节及参观考察活动。作为会议的重头戏，开幕式上将发布《全球锂电产业供需白皮书》《中国锂电（遂宁）指数》，开展项目合作签约等。

中国科学院院士孙世刚出席会议并做主旨发言，以下为发言实录：

感谢组委会的邀请，我的报告主要有以下几部分：第一电化学能源与新能源汽车，第二是动力储能电池发展和挑战，第三燃料电池发展与挑战，最后是结论。

习近平主席2020年提出碳达峰碳中和时间表，虽然比有一些国家要晚，但是任务非常重，因为起步比较晚，但是碳中和就是通过碳释放多少，就采取多少抵销来实现的，这也推动了很多新的技术出现。

在这个过程中电化学，是非常重要的一个途径。电化学能源是高效清洁、方便应用的能源，从化学能到电能。

另外就是能量储能，把电能储能到燃料分子里面，通过电解水产生氢，把二氧化碳还原变成一些燃料分子。这两个方面通过电解水制绿氢，通过燃料电池用氢是一个清洁能源，是一个终极的能源载体，可以用各种能源产生氢。

还有一个就是能量转换储能，把电能变成化学能储能起来，又能把化学能电池释放出来，这是一体的装置，不受热力卡诺学限制，所以效率高。

电化学储能促进可再生能源利用。去年年底累计风电装机容量和光伏装机容量超过3亿千瓦时，需要大规模配套储能。风电、光电是不稳定的，如果没有储能是难以有效利用这些能源的。所以通过储能电池储存起来就可以用于各种场景，比如国防安全、办公、移动通讯。

储能电池首先服务国家双碳战略，根据预测到2060年，左边这个图风电等清洁能源会大幅度增长，传统化石能源会逐步下降。到碳中和的时候，风电光电占50%左右，其他还有水电核电等等，包括氢能。我们国家电化学储能持续增长，预计到碳中和的话，如果按照20%的配套储能，需要460TWh的储能电池，相当于46个三峡电池发电量，需要300亿吨电池，这是一个非常大的市场。

另外就是新能源汽车，它的特点就是可以减少国家对原油的依赖。从2019年开始进口的原油占使用量超过了70%。这是国家安全底线是一个非常重要的信号。我们一定要降低安全底线，使国家能源安全得到保障。

首先第一可以把间歇性能源做燃料，可以作为动力电池驱动汽车，燃料电池一般是驱动大巴车运营车，动力电池是小车，这样分配也是必然的。

从2015年开始，我国就成为了全球拥有新能源汽车最多的国家，这些年发展来看，从指数性增长到今年9月底超过了一千万辆。这一千万辆只占了我国汽车保有量的3.6%，从这个数据来看，我们国家还有很大发展空间。按照规划到2030到2035年，有8千到1亿辆车，那个时候差不多三分之一是新能源车。

燃料电池汽车发展相对比较慢，去年年底还不到1万辆，面临的瓶颈问题更多一些。但是规划到2025年10万辆，2030年到35年100万辆，有快速的增长目标。

世界上一些发达国家都提出了停产停售燃油车时间表，最早是挪威，英国2030年，法国2040年，美国加州立法2029年，我国海南省立法2030年。所以燃油车会受到限制，我国大的车企都在研发开发新能源车、燃料电池车等。

在快速发展过程中，包括新能源车、储能、5G技术等高新技术对于电化学能源器件提出越来越高的要求，这要求是全方位的，从能量密度、功率密度、安全性、长寿命、极端环境适应和低成本，对研究和开发包括生产都提出很高要求。我们经常说充电焦虑，刚才企业发布产品说5分钟可以跑120公里；解决续航里程焦虑，能量密度还要大幅度提升。电池低温性能焦虑，别在南方可以正常行驶，但到东北启动不了，这些都是需要解决的问题。

一些国家这两年提出一些新的计划，希望以举国之力在电池方面发力。比如日本创新电池计划，英国法拉第电池挑战，美国锂电池2021-2030国家蓝图，还有欧盟2030+路线图。他们着眼点是加强基础研究，抢占制高点。

我国也在发力，重点研发计划里面，“十四五”里面布局了很多与电池有关的专项，比如储能与智能电网技术、氢能源技术、新能源技术，这些都促进产业发展，同时也是推动一些研究。但是基础研究方面，还要继续加强研究，不能老是跟在国外后面，一定要有中国引领。

下面谈谈动力电池汽车发展和挑战，第一是锂资源严重限制。四川有丰富的锂资源，这里的企业除了在国外也布局了很多锂矿。但是看看全球锂资源分布，中国排到第六位。这个是锂金属的分布，从这个发展来看，如果按照一公斤一千瓦时，按照这个估算，按照全世界目前锂金属储量的话大概也就可以用一百多年，这也是一个资源限制。而且我国锂资源是盐湖为主，锂的含量低，提取难度高，所以很多都是依靠进口，锂资源的限制是必须要面对的挑战。

第二是锂能量密度接近极限，能量密度跟原理有关系，比如它的能量密度跟反应电子束、活性物质的重量和密度，功率密度、传输、尺寸等等都有关系，这些是限制理论密度的上限。目前锂电池是接近天花板。从这个角度来看，为了提高现在一些新型的应用场景，比如说国防的防御半径，我们无人机需要长时间续航，需要大幅度比高电池能量密度，还有汽车，我们也希望能够行驶得更远，这些都是需要开发一些新的体系。

第三个是安全事故，是大家非常关心的问题。用到锂电池的时候大部分都是跟人有关的，我们用的3C电子产品都需要安全，汽车更是如此。这里面热失控包括正负极、电解液、界面。界面在实际应用场景当中不断受到冲击，比如一个公交车来看，这是一个实时记录电压和电流的变化，是非常随机的频繁变化。这个变化对于我们材料和界面造成了反复冲击，这就会带来一些安全事故。比如2021年我国新能源汽车着火事故发生了三千起，大家觉得很多，但是跟传统燃油车比其实很低的，燃油车数据更大。

还有使用环境，电池用到深空、深海、电动车、无人机等场景，这些都需要更高更宽的温度范围，这些也是我们需要面临的挑战。

这些挑战后面的科学问题可以从问题本身来看，比如第一个挑战资源。资源与材料有关系，我们怎么来设计更好的电池材料，开发更多的材料；第二个就是能量，能量跟它的传输和界面非常有关系，还有它的安全性。我们在做更好的电池的时候，这几个方面，材料界面传输系统都是需要我们面对的，需要我们各方面共同解决。

提升二次电池体系的能量密度，可以从高容量、低电压负极和高容量、高电压正极着手，比如负极从碳到硅再到锂金属等等。这样一个不断提升的过程中，大家最关心安全的问题。比如锂金属负极可以做到能量密度很高，但是它最大的问题就是很容易引起锂枝晶，生产过程会反复溶解沉积，引起短路带来安全性问题。高电压正极材料也不稳定，高电压结构易发生变化，同时会引起电解液分解，这个时候需要研发更稳定的电解液。

对于锂金属，不光是基础研究，业界也都做了很多实验性尝试。比如可以通过构筑人工SEI膜，构筑三维结构金属负极，调控锂金属电极和电解液的界面。我们的终极目标是希望加入添加剂，调控成核生长的过程，使它不长成枝晶，但是这个研发非常难，需要大力发展下去。还有通过电解液体系，比如饱和电解液体系来使表面的结构钝化，提升安全性。

另外一个方面在同样一种材料，比如说富离子材料，我们就调控结构，不同的表面结果传输和稳定性都是不一样的，我们能够调控的结构使它朝着010方向，传输就更快，同样组成下功率密度、能量密度大幅度提高。这个过程中也是一个三传工程，把离子传输通道维持材料微观的稳定性，强化电子传输通道，维持电极和电池导电网络，强化电池热传出，抑制电池热失控，提高电池安全性。这些都需要很多研究工作。

下一代锂电池，刚才谈到锂资源或者其他资源都有限制。比如锂硫电池，世界上硫资源很丰富，是锂资源十倍以上。因为硫不导电，需要催化剂让它反应，多硫化物在当中穿梭降低密度，还有枝晶的安全性问题。金属空气电池就不再依赖锂资源，正极是氧的还原和氧化物分解，我们需要发展双功能催化剂，也要克服金属枝晶带来的安全问题。

下一代如果是非锂电池，就可能是今天讨论的钠电池，钠在地球上储量很高，排第五位，第一位是氧，第二位是硅，铝、铁、钙、钠，它跟锂有相同的化学性质，离子半径比较大，电化学势比较低，这里面要突破储钠的新材料。目前有一些传统的硬碳已经产业化了，正极的层装氧化物、普鲁士蓝等已经进入市场。但是要进一步提高性能、降低成本，要能够实现像锂离子一样大规模应用，钠电用于储能是非常好的选择，还需要在新材料开发、新型电解液研发方面多下功夫。

下面谈谈有机电池，有机电池是一种新型的电池，它的资源是无限的，因为可以用很多物质，生物质也可以，从这方面来看是资源不受限制的材料，正极负极都可以用有机。这也是新的发展方向。

再看燃料电池，在座做锂电池可能对燃料电池也很关注。燃料电池最大特征就是它是氢能的重要应用途径。我国现在大力发展氢能，很多风电站、光伏电站后面的应用就是做氢，可以生产绿氢，过去大部分是化石能源的裂解，里面会有杂质。但是电解水制氢没有杂质，可以制造最清洁的氢。过去成本比较高，但是可以通过用再生能源将成本降下来。

燃料电池催化剂被少数几家国际公司垄断，比如说庄信万丰、田中贵金属、优美科等等。要发展燃料电池汽车，催化剂是一个短板，怎么使催化剂能够自主？这是我们共同要面对的问题。

最后结论，我国新能源汽车保有量超过1000万辆，占全球新能源汽车总量一半以上，在碳达峰碳中和目标驱动下还会进一步增长。我国电池产能世界第一，燃料电池受制于催化物、催化剂、电解质等的制约，发展相对缓慢，但是无论是动力电池、储能电池，还是燃料电池，都面临不断提升能量密度、功率密度、安全性、使用寿命、降低成本的要求，需要产学研协同，解决科学问题，突破技术瓶颈。

我就报告到此，谢谢大家！

（根据速记整理，未经本人审阅）