圖為中國工程院院士陳立泉 圖片來源：中國經濟大講堂
2019年諾貝爾化學獎授予了美國科學家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科學家吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池研發領域作出的貢獻。鋰電池，這種輕巧且可充電且性能強勁的電池，改變了人們的生活，也為構建一個零化石燃料使用的社會提供了可能。可有誰能想到，1991年日本第一個將鋰離子電池產業化之后卻不斷萎縮，反倒是中國將這個產業一步一步做到了世界第一。這中間究竟發生了什么？鋰離子電池為人類創造了一個新的可充電的世界，而以鋰離子電池為基礎構建的“電動中國”計劃，則正在幫助我們擺脫對化石燃料的依賴。但是，如今，鋰離子電池也面臨諸多現實挑戰，安全事故時有發生，續航能力有限，能量密度提升已接近上限，鋰離子電池未來何去何從？面對固態電池、鈉離子電池、氫氧燃料電池等電池新勢力，誰才是未來的終極電池？《中國經濟大講堂》特邀中國工程院院士陳立泉，為您深度解讀《鋰電池如何驅動“電動中國》。
圖為中國工程院院士陳立泉 圖片來源：中國經濟大講堂
早在2001年，汽車動力鋰電池還不被大家所看好。當選中國工程院院士的陳立泉，向時任863計劃電動汽車重大專項負責人萬鋼請求：“希望能給鋰離子電池一個機會。”十年后，他成功地將鋰電池材料研究這個曾被邊緣化的冷門學科產業化，解決了鋰離子電池規模化生產的科學、技術與工程問題，實現了鋰離子電池從“中國制造”到“中國智造”的大轉變，助推我國鋰電池產業從并跑到領跑，實現了對日韓等鋰電傳統強國的超越。2007年陳立泉榮獲國際電池材料協會終身成就獎，他開展的全固態鋰電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、室溫鈉離子電池等研究，為開發下一代動力電池和儲能電池奠定了基礎。
2019年諾貝爾化學獎的獲得者分別是Whittingham（斯坦利·惠廷厄姆）Goodenough（約翰·古迪納夫）以及日本的科學家Akira Yoshino（吉野彰），這三個人的貢獻是不一樣的。
斯坦利·惠廷厄姆教授，實際上他剛開始是研究超導材料。關于超導材料他沒有做什么工作，但是他發現硫化鈦這個材料可以制成鋰跟硫化鈦電池，就是鋰作負極。這種電池的安全性比較差，后來因為出了安全事故把一位日本小姐的臉燒了，后來這個公司就停了。
之后約翰·古迪納夫就合成了一種化合物叫鈷酸鋰，鈷酸鋰是一個層狀化合物，可以做鋰離子電池的鋰源，它結構還是穩定的，這是古迪納夫的貢獻。吉野彰看了古迪納夫1978年的文章以后，就想辦法用它去做一種電池。它的負極不用金屬鋰，而是用碳纖維來做負極，做成這種電池，這種電池后來就叫鋰離子電池。
實際上鋰離子電池已經改變了世界，改變最大的就是給我們日常生活帶來了很多的方便的地方。諾貝爾獎在聲明里頭就說從智能手機、筆記本電腦等消費電子產品到電動車和風能、太陽能等大型的儲能裝置，如今鋰離子電池已成為我們生活中不可或缺的能量源。我跟鋰電池打交道大概有四十幾年的時間，今天我想以鋰電池與“電動中國”跟大家一起來交流。
1、我國鋰電池產業是如何做到世界第一的？
從2018年全球電動汽車電池企業市場份額的排名情況來看，前10名中排名第一的是寧德時代，就是CATL，第2名是日本的松下公司，第3名是比亞迪，一共10名。2018年，中國有6個鋰電池企業位居動力電池世界市場占有率前十。寧德時代是百分之37.23%，穩居第一，日本松下公司只有21.54%，排名第二，但是差十幾個百分點。
中國鋰離子電池產量為什么能夠世界第一？這要從開始來講起。
中國鋰電池研究并不晚，幾乎和世界同步。1976年的圣誕節之前，科學院派遣我到西德。那個時候德國還沒有統一，東德、西德是分開的。我到西德斯圖加特馬普固體所進修，當時我很快發現他們全所上下都在研究氮化鋰晶體的性能，我感到很奇怪，為什么大家對氮化鋰這么感興趣？當時才知道氮化鋰是一個離子導電的材料，據說是一種叫超離子的導體，可以用來作汽車的電池。我聽到這句話之后馬上在腦子里想了一下，我是不是要改方向。
他們的研究所有個開門辦所，有一天對社會開放，他們就把這個氮化鋰，這一個類似于扣子似的小電池擺在桌子上，旁邊放了一個鉛酸電池。我一看，一個鉛酸電池很沉，一個扣式電池很輕。我就想這個東西的確是很有用的，所以我馬上就給國內所里打報告，我說我要改行，從晶體生長改到新的學科，叫固體離子學。大概一個月以后，所里給我回信，允許我改行。回國以后，科學院非常支持把這個項目給物理所，說應該給這個年輕人建個研究室，所以很快就成立了一個固體離子學實驗室。這是當時國內第一個固體離子學實驗室，也是物理所最小的一個實驗室。我從事的工作就是鋰離子導體和鋰電池研究。
1991年索尼公司宣布產業化以后，物理所迅速跟進了。當時我們就在思考怎樣能夠邁出產業化的第一步。我們做研究的單位是把錢變成知識，如果投資的單位是把技術變成錢。怎么想辦法能把知識變成技術，就是怎么能夠銜接上，我們提出了一個思路，就說能不能想辦法讓研究單位往前走幾步，讓投資單位往前走幾步，我們在“橋”中間會合。所以就找了一個投資方，1993年簽訂了一個A型鋰離子電池的研究開發協議，投資方給的經費是10萬元錢，同時更重要的是派了三個人來。這三個人當時對我們有很大支持，因為當時實驗室我就一個碩士生，人手很缺乏。
很快1995年第1塊鋰電池就從中科院物理所誕生了。當時的這個手機叫“大哥大”，可能年紀稍稍大一點知道，“大哥大”就是像一個磚頭一樣的一個手機，當時拿個“大哥大”是一種身份的象征。A型鋰離子電池就是“大哥大”的電池。中科院鑒定以后認為，當時這個水平達到世界先進水平，可以再進一步往下走，這就是當時我們在實驗室怎么樣從知識變成了技術，走出了這一步。
現在有一種觀點說鋰電池是日本人發明的，中國在鋰電池方面技術不行，只是在應用水平上比較領先。鋰離子電池的發明肯定不是日本人，要不諾貝爾獎怎么是給兩個美國人和一個日本人。所以說鋰離子電池是日本人發明的這個話不完全對，可以說鋰離子電池是日本人先產業化的，這句話是對的。
圖為中國鋰動力電池市場占有率 圖片來源：中國經濟大講堂
我們可以從這張圖看得出來，日本人最早1991年宣布產業化，市場占有率是100%，然后一直往下掉，現在還在往下掉。連索尼公司都不做鋰離子電池了，它的鋰離子電池賣給了另外一個公司。韓國人跟中國人是往上走的，到2014年我們中國的動力電池、鋰電市場份額已經超過了日本跟韓國，處于世界的第一位，現在還在往上升。
我們鋰電池技術從目前發展的情況來看是不錯的。實際上是學術界、工程界和產業界的一個合作，是研究院所和大學的通力合作，高度重視原始創新、基礎研究和應用研究緊密結合，加快研究成果的產業化進程。
Goodenough（約翰·古迪納夫）發現了普遍使用的正極材料鈷酸鋰還有磷酸鐵鋰，但這兩種材料都有缺點。鈷酸鋰實際上只能取出0.5摩爾的鋰，而磷酸鐵鋰實際上是個絕緣體，都有缺點。我們想辦法找出它的缺點，然后通過理論計算和試驗相結合進行了改性并且取得了專利權，這個專利權對于我們鋰離子電池的發展起了非常重要的作用。
前幾年比利時的五礦公司要到中國來收鋰離子正極材料知識產權費，據說是一噸要收5萬。做鈷酸鋰三元材料大概一噸的利潤可能也不到5萬，他們就到海淀知識法庭把我們告了，后來中國的做正極材料的企業聯合物理所和他們庭外和解，因為我們有這個專利，所以他們再也沒有提要收專利費的問題。看得出來，不是我們的原創材料，但是我們做了工作，我們也申請了我們的專利，對于保護我們自己的企業是很有好處的。
第二個例子就是磷酸鐵鋰。它是個絕緣體，我們通過理論計算，它是個一維的離子導體，如果說你在鋰位摻上鉻這種大的離子的話，就把這個鋰的通道堵塞了，這樣是不行的，沒法用。后來就有人又提出來一個在鐵位摻鈉。鐵位摻鈉的時候，顏色變黑了，電導率也提高了幾個數量級，它的離子電導率和電子電導率都挺好。所以法國和德國科學家認可這個工作，這是唯一的一條可行的路，打破了國外的原始專利對磷酸鐵鋰材料的壟斷。這樣才有我們現在各鋰電池企業在相當大量地使用磷酸鐵鋰材料，不受國外知識產權的影響。
從這兩個例子可以看得出來，雖然我們沒有做原始創新，但是我們給它改性、再創新了，也是非常重要的。
剛才講的是兩個正極材料，那么現在我講負極材料，這是我們的原始創新了。清華大學很早就申請了天然石墨做鋰離子電池負極的專利。兩年前，它申請了國家的發明獎，這個發明獎就等于是承認了我們用天然石墨做鋰離子電池的負極是我們的知識產權。光有石墨還不行，石墨的容量是比較低的，372毫安時每克。硅的容量實際上是相當高的，那么硅能不能夠作為鋰離子電池的負極呢？1999年我就做了這個工作，申請了第一個專利。所以國際上第一個硅作負極的專利是我們申請的，這個是美國人也承認的。但是你要把它用上，還是相當困難的。從幾百毫克到幾百公斤，用了17年的時間，這17年我們走的路從文章變成技術，然后變成產品，變成市場。
我們現在的原材料基本上是已經國產化，進口的量已經相當少，同時我們的設備絕大部分也都是國產化的設備，更不用說員工的技術，現在基本上都是我們自己培養的技術。
從手機、數碼產品到電動汽車、輪船，鋰離子電池已經在我們生活當中扮演著越來越重要的角色。但近些年，鋰電池安全問題引發的事故同樣令人印象深刻。三星手機電池起火爆炸，電動汽車碰撞起火甚至自燃，波音787客機發生鋰離子電池起火事故，生產生活受到新的威脅。除了安全問題，鋰電池的續航能力、電池循環使用壽命有限等問題，也常常被人們所詬病。能否避免鋰電池成為人們身邊的“炸彈”？如何破解鋰離子電池引發的各種“焦慮”？
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