盖世汽车资讯|中国科学院黄学杰：动力电池无钴正极材料的技术研究

2020年9月27-30日，第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开，本次大会以“共克时艰、跨界协同、合作共赢”为主题，为进一步加强国际交流与合作，加速突破新能源汽车市场化障碍，加快推进“电动化、智能化、共享化”融合发展，由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监督管理总局共同举办。其中，在9月29日举办的“先进动力电池技术创新”主题峰会上，中国科学院物理研究所研究员黄学杰发表精彩演讲。

本文插图
其主要观点如下：
【盖世汽车资讯|中国科学院黄学杰：动力电池无钴正极材料的技术研究】1.梯度组分设计电极材料和高镍低钴/无钴层状正极材料是三元正极材料降钴的新技术。
2.新一代无钴正极材料中镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）能量密度成本比更有优势。
3.无钴正极材料镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）中锂资源利用效率最高。
以下内容为现场演讲实录：
谢谢吴老师的介绍，我今天的话题是无钴的正极材料，也是组委会给我的命题作文，无钴的正极材料话题比较热，尤其是上周马斯克开完特斯拉股东大会之后，有一个媒体发布，特斯拉把这个事炒了大半年了，主要是讲怎么把电池的成本降下来，要把电池的成本降一半，现在单体电池的成本，锂离子每个瓦时也就是四五毛的样子，降一半还是比较狠的，但是如果这个目标实现的话，基本上电动汽车经济上就OK了。他有几招，怎么把尺寸变化、材料变化，后面重点是做正极材料里完全无钴，所以，大家都关心这个问题。
正极材料里最早是从钴酸锂开始的，但是，钴酸锂不能拿来做电动汽车，做了之后买不起，世界上也没有那么多钴拿来做汽车。无钴早就有了，日产的第一代电动汽车就是锰酸锂，就是无钴的，但是，锰酸锂的里程不够长，今天主要是用在二轮车。后面还有镍锰酸锂也是无钴的。
正式讲之前，我先说一下我工作的两个地方，第一个是中国科学院物理研究所固态离子学研究组，我在那里工作30多年，从组员到组长，主要是从技术研究做到应用研究，往产业转移技术，支持产业的发展。做无钴也做得比较早， 97年我发的文章，活是96年干的，那个时候是把无钴的镍酸锂搞清楚。待会我讲25年之后，无钴镍酸锂有新的变化。这两年我花比较多的时间工作的一个地方是广东松山湖材料实验室，这个实验室2018年开始设立，有2年多的时间主要是做纯技术的研究到应用研究，以及到产业技术化的推广，做全链条的研究工作。
我们的房子正在盖，大概明年可以封顶，明年上半年可以搬进去。我们在那里做的是什么呢？在那里不仅做技术的研发，比物理所多了一块，如果实验做得比较好，过去我们就找企业投资，老板投资了以后，很多年都成不了产品，最后是成了但是代价也很大。现在做出材料以后，在实验室另外一部分就可以建实验车间，把它测成以后再给企业的老板，企业老板接过去就比较好一些。
接下来我讲几代无钴的材料，第一代无钴材料是锰酸锂，锰酸锂日常做50万辆以上的汽车，也没有烧过一辆，证明安全系数没有问题。为什么我们当时要做它呢，因为我们觉得这个材料安全，这个材料也便宜，那个时候没有考虑能量密度不够怎么办？那个时候也没有人给补贴，是2000年前后的事，所以就做了最便宜的，今天发现这个材料可以做电动自行车， 2003年的时候，我就把它搬到苏州建生产厂。没有补贴就做自行车电池，那个时候发现做自行车电池可以做得很便宜。
我经常吓唬做氢酸电池的老板，我说小心点，锂离子电池会越做越便宜，总有一天会比锰酸锂还要便宜。今天我很高兴，锰酸锂的电池做得比氢酸便宜，对二轮车的替代也开始了。我们当时做二轮车的电池是为了生存，心里老惦记着汽车电池，在万钢主席的支持下，我们一起做了混合电力，这就是在同济做的混合动力的车辆，上面配的是高钴电池的锂电电池包。因为拿锂电两个做混合也是一个中国方案，现在在全球得到了很好的认可。 08年这个电池包也做得比较漂亮，奥运会上有几十台车子在跑，后来往汽车方面走，因为混合动力汽车补贴不多，大家转到纯电动汽车，所以，无钴的正极材料主要是在电动自行车上，今天赶上了好时候。刚开始在国内卖不出去的时候主要是在欧洲卖，欧洲的邮政系统，像德国邮政、法国德国、比利时邮政、西班牙邮政都占有垄断的地位，今天看是这个样子，那个时候感谢市场，所以，我比较相信市场经济。分页标题
第二代的动力电池的材料——碳酸铁锂，碳酸铁锂是完全无钴的材料，感谢两位老先生，一个提出用在碳酸铁锂，一个是解决了碳酸铁锂工业性的问题，开始用在很多车辆上。这件事情我们也比较早地推动这件事，做材料的故事不讲了。 2000年的时候，我们提出该做碳酸铁锂了，当时吴老师是裁判员，他是碳酸铁锂专家组的责任专家，给了我当时一笔很大的资金，有一个重点课题，叫做碳酸铁锂新型正极材料的研究， 2001年给了500万，这是很大的一笔钱。那个时候做这个材料，但是光做材料不行，我们得拿电池说话，到了05、06年的时候电池出来了，开始在全世界推销，正好在法国抽了26家的电池测试，到了2010年他们跟我讲这个电池不错，使用下来有6千多次的寿命，我说这样吧，我们装一批车，能够坐三四个人的，这个车装了2千多辆，他们告诉我一部分已经跑过十年了，最短的也跑了7年多了，还没有一台车子换电池，证明电池是可靠的。今天人们把碳酸铁锂拿去做公交车更大的车子，听说做了一万多次的寿命了，十几年了，寿命提高一倍也是正常现象。
刚才肖成伟研究员也介绍了，现在主要是三元，去年卖的动力电池32%是碳酸铁锂， 65%是三元。与碳酸铁锂同时代的三元正极材料离不开钴，为什么？因为这是一个层状的结构，锂和镍之间互相占位，钴进去以减少镍和锂的互占位。人们在不断的努力降低钴的含量，原来镍钴锰的含量一样，是三分三，接着把它往上提，提到523 ，钴变成20% ，接着是811 ，整到80%的镍， 10%的钴，钴越来越少的时候，材料技术进步才能做到这点，当然能量也会相应的上升，也会带来其他的问题，就是说安全的系数要求会高一些。今天人们想继续降钴的含量，三元材料降钴有新技术，今天很多人讲无钴，更多的是把三元材料的钴越降越少，从811的10%降到5% ，接着往下压到3% ，接下来比较少，大家认为就是无钴了。这里有两条技术路线，一条是把它做成梯度的材料，所谓的梯度的材料，把一部分的材料，以锰为主，产生了混合线，外层是以镍和钴为主，这样降低了钴的含量。今天我们都在做梯度的材料，把钴的含量降到3%甚至更少。这点今天也能够做到，实验室里做到了。
几十年来我们在琢磨的一个事就是把镍酸锂做层，专门作层状的镍的前躯体，接着把各种元素放进去，就是不用钴稳定结构。这块是持续地做，我的理解，大家说层状的无钴是逐步的减少钴的含量，直至5%、3%甚至到1% 。如果我们采用的是镁、钛、或者是其他的材料，我们就把钴剔除出来了。
今天还要介绍一个材料，专家委员会把它选为前沿技术的一项，这是一种高电压不含钴的材料，提高电池的能量有两种方式，一种方式是提升容量，一种方式是提升电压，我更喜欢提升它的电压，为什么？我讲一个例子，就是镍锰酸锂不含钴，镍也不多，镍占1/4 ，锰占3/4 ，但是，这个材料和今天石墨的负极配对，做成的电池电压是4.5伏，碳酸铁锂是3.2伏，大概高40.6% ，这个材料的颗粒容量150不到一点，碳酸铁锂160 ，高一些，但是，因为密度大，电池长宽高一样做出来的容量是一样的，但是电压高了40多一点，可想而知能量就散去了，能量多了40% 。负极的量也没有变，制造的费用也没有变，成本有可能降30% 。所以，材料是能够做出贡献的。
这个材料在锂资源的利用效率也是最高的，因为我们要尽可能的利用锂资源，每一公斤的碳酸锂能够储存多少容量，如果做成碳酸铁锂电池差不多12个千瓦时，能够储存12度电，如果做成锰酸锂电池储存11个千瓦时，但是，如果能够做到镍锰酸锂电池可以做到16个千瓦时，对锂资源的利用率也是最高的，所以，把它做出来之后，咱们要为行业提供锂资源利用率更有效，成本更优的方案。做了很多年，能够控制材料的形貌，更重要的是，这种材料不稳定，一般的情况下有两个原因，一是层状材料内部的结构容易发生不稳定，这个材料是尖晶石，这是最稳定的结构了，所以内部没有问题，问题就出在表面上，我们有一些办法改进材料的表面，因为内部是很稳定的，不像别的正极材料，内部不稳定，外部也不稳定，内外都要弄，这个材料有一个好处，解决了内部问题，内部的问题很稳定我们抓住外部就好了。抓下来以后，今天是什么结果呢？今天我们拿它跟NCA比，比下来是什么结果呢？循环100周以后是99.24% ，接下来两个差不多，但是到了55度的时候，这个材料循环100周以后，容量保持率达98.65% ，所以，优于三元材料。分页标题
大家说如果纯电池是什么情况呢？它跟石墨配对，两千次以上的寿命，这个阶段的时候，已经超过811了，我相信随着循环会更好，高压也很好，证明把材料做稳定也是可以的，这招用到手机里很快就可以干到4.5倍以上了。但是，这不是一天干出来的，感谢各个部门，给了我15年的时间，把主力部队放在这个材料上做，靠着这个基础把它做下来。这本身来讲，也是我们在过去各方对我们的理解，你做这个事相信可以把它做下去，所以，今天的无钴材料有了应用的机会。
时间也差不多了，非常高兴这次大会能够把这个材料评为前沿创新的一条，这个材料做成电池很快就会跟大家见面了，我刚才讲的在实验室已经有了日常300公斤的产能，无论是软包电池还是其他的，安全性还是不错的。
以上是我要汇报的内容。
最近做一个事，就是高容量的负极，今天不讲负极了，负极我们做了25年，这个更久一点，跟它一起推向电池的应用。下个月我估计会发布路线图，对镍锰酸锂材料有一个更细致的描述，感谢100多个集体单位过去这么多年的工作，感谢中国汽车工业协会有效的组织，谢谢大家！
（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）