電子報(bào)記者付毅飛?
“你知道中國(guó)目前面臨最迫切的問題是什么嗎？”接受采訪時(shí)，中科院物理所黃學(xué)杰研究員突然笑瞇瞇的問道。平時(shí)習(xí)慣了向別人提問，猛然間自己被問了一句，記者一時(shí)沒有反應(yīng)過來。不等記者回答，黃學(xué)杰接著說道：“能源問題是我國(guó)面臨的迫切問題，對(duì)于緩解石油和電力的緊張，充電電池可以起到重大作用。”?
　　鋰離子電池緩解能源緊張?

　　隨著對(duì)現(xiàn)有材料和電池設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)以及新材料的出現(xiàn)，鋰離子電池的應(yīng)用范圍不斷被拓展。民用已從信息產(chǎn)業(yè)（移動(dòng)電話、PDA、筆記本電腦等）擴(kuò)展到能源交通（電動(dòng)汽車、電網(wǎng)調(diào)峰，太陽能、風(fēng)能電站蓄電），軍用則涵蓋了海（潛艇、水下機(jī)器人）、陸（陸軍士兵系統(tǒng)、機(jī)器戰(zhàn)士）、天（無人飛機(jī)）、空（衛(wèi)星、飛船）諸兵種，鋰離子電池技術(shù)已不是一個(gè)單純一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)，它攸關(guān)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并成為現(xiàn)代和未來軍事裝備不可缺少的重要“糧食”之一。?

　　黃學(xué)杰說，鋰充電電池的研究早在國(guó)家863“七五”計(jì)劃中就列為專題，一直進(jìn)行到現(xiàn)在。初期主要研究鋰充電電池，后來為了解決金屬鋰負(fù)極不穩(wěn)定的問題，發(fā)展出以儲(chǔ)鋰材料為負(fù)極的鋰離子電池，目前已經(jīng)廣泛用在了手機(jī)、筆記本電腦、MP3等電子產(chǎn)品上。?

　　如今的鋰離子電池用途遠(yuǎn)不止如此。黃學(xué)杰向記者介紹說：“日本豐田公司生產(chǎn)的一款混合動(dòng)力汽車，百公里耗油僅3升，約為同等級(jí)普通汽車的一半，此車配備的高功率充電電池是和發(fā)動(dòng)機(jī)同等重要的部件?！彼硎?，混合動(dòng)力汽車將油和電兩種能源結(jié)合使用，電池提供電能以驅(qū)動(dòng)一個(gè)電動(dòng)牽引電機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)則在必要時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，為電池充電或?yàn)榧铀偬峁╊~外的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)這種混合動(dòng)力汽車一旦普及，可以緩解石油、污染等問題。?

　　對(duì)解決目前緊張的電力問題，鋰離子電池同樣可以發(fā)揮重要作用。黃學(xué)杰說：“當(dāng)前我們所說的電力緊缺，其實(shí)不是絕對(duì)現(xiàn)象，而是用電嚴(yán)重不平衡造成的。白天一些時(shí)段用電量較大，導(dǎo)致電力緊張，但深夜到凌晨用電少，電力又有富余。發(fā)電廠不可能根據(jù)用電的峰谷來調(diào)節(jié)發(fā)電量，這時(shí)就又需要電池發(fā)揮作用。”他告訴記者：“在日本，部分家庭配備了鋰離子電池，在用電低谷時(shí)充電，高峰時(shí)使用，是一種解決電網(wǎng)負(fù)荷平衡的理想方式。”此外，目前所提倡的一些清潔能源如風(fēng)能、太陽能等都存在類似不穩(wěn)定的情況，必須與電池結(jié)合使用。?

　　“不導(dǎo)電”的正極材料?

　　鋰離子電池具有能量密度高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，問世以后迅速取代了鎘鎳、鎳氫等傳統(tǒng)電池的地位，自1991年日本索尼公司率先將其商品化以后，市場(chǎng)范圍不斷擴(kuò)大，僅用了十年，全球產(chǎn)值就超過了鎘和鎳氫電池之和。然而，由于材料需求量飛速增長(zhǎng)，鋰離子電池的成本問題已經(jīng)日益凸現(xiàn)出來。如何讓鋰離子電池“脫胎換骨”？?

　　“863計(jì)劃首先在電池的新材料研究開發(fā)方面給予我們多項(xiàng)支持。”黃學(xué)杰介紹，正極材料是目前鋰離子電池中成本最為突出的材料，同時(shí)也直接關(guān)系到電池的安全性能和電池實(shí)現(xiàn)大型化的可能，但傳統(tǒng)正極材料———鈷酸鋰的年需求量已超過一萬噸，從而導(dǎo)致鈷價(jià)大幅攀升，資源不足已開始制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！拔覀儼l(fā)展錳系和鐵系材料，以提高電池的性價(jià)比和安全性能為宗旨，目前已經(jīng)開發(fā)出高性能錳酸鋰和氧空位磷酸鐵鋰正極材料。”?

　　通過表面改性，大幅度提高錳酸鋰正極材料的高溫穩(wěn)定性和大電流充放電能力，2004年初該材料的批量生產(chǎn)為混合電動(dòng)汽車電池研制成功和小型動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化提供了正極材料保障。?

　　磷酸鐵鋰具有穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但卻存在一個(gè)關(guān)鍵問題———電導(dǎo)率很低，不導(dǎo)電的材料如何能做正極材料？黃學(xué)杰笑著告訴記者：“說來有趣，解決這個(gè)問題的辦法是被我們‘算’出來的?！?

　　他說：“研究磷酸鐵鋰時(shí)，我們沒有像通常那樣查閱國(guó)外資料后即進(jìn)行大量的改變成分和合成條件的試驗(yàn)，而是先進(jìn)行理論計(jì)算預(yù)測(cè)和合成方法進(jìn)行探索。通過第一性原理計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)通過摻雜，形成氧的空位能提高導(dǎo)電性，這一發(fā)現(xiàn)為材料合成指明了方向。根據(jù)我們發(fā)展出的一種獨(dú)特的合成方法，制備出可逆容量達(dá)160mAh/克的氧空位磷酸鐵鋰材料，循環(huán)500次容量未見衰減，特別是具備高倍率（10C）放電能力。863計(jì)劃一期項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，與會(huì)專家一致認(rèn)為這項(xiàng)成果居于國(guó)際領(lǐng)先水平，取得了重要的原創(chuàng)性成果?！彼硎荆骸斑@項(xiàng)成果申請(qǐng)了3項(xiàng)發(fā)明專利，目前中試工作進(jìn)展順利，一次合成量由幾十克級(jí)擴(kuò)展到幾十公斤級(jí)，已具備50千克/批次的試產(chǎn)能力。另外預(yù)測(cè)壽命也可達(dá)到30至40年幾千次?！?

　　新型材料擴(kuò)展鋰離子電池應(yīng)用范圍?

　　針對(duì)鈷資源短缺的問題，可以取代鈷酸鋰的鈷鎳錳酸鋰正極材料也成功研制出來。黃學(xué)杰說：“這種材料屬于氧化物型層狀正極材料，1980年代初即被發(fā)現(xiàn)，合成難度遠(yuǎn)高于鈷酸鋰，晶型控制尤其困難，一直未獲得應(yīng)用，我們發(fā)展出獨(dú)特的前驅(qū)體合成技術(shù)和加鋰技術(shù)，80％的鈷被錳和鎳取代,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶粒尺寸的控制，合成材料的可逆容量達(dá)到165mAh/克，比鈷酸鋰高10％以上，循環(huán)壽命達(dá)到500次?！?

　　此外，項(xiàng)目組還發(fā)展出了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三氧化二鋁表面修飾技術(shù)，應(yīng)用于改性進(jìn)尖晶石錳酸鋰材料，生產(chǎn)出可逆容量達(dá)到107mAh/克，55C循環(huán)200次容量保持率大于90％，優(yōu)于國(guó)際同類產(chǎn)品水平，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)可用于混合電池用高功率鋰離子電池的材料，保障了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)高功率鋰離子電池項(xiàng)目的順利推進(jìn)。黃學(xué)杰說：“2004年，北京星恒公司基于此材料制造的高功率混合汽車用鋰離子電池全面通過了863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)組織的統(tǒng)一測(cè)試，功率達(dá)到1200W/千克，安全性、循環(huán)、高低溫性能等測(cè)試全部通過，今年預(yù)期達(dá)到1800W/千克并通過UL認(rèn)證測(cè)試。另外，星恒10Ah高能量型和7.5Ah高功率型鋰離子動(dòng)力電池還通過美國(guó)UL安全測(cè)試，成為中國(guó)本土第一個(gè)通過UL認(rèn)證的鋰離子動(dòng)力電池，為該類電池進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)鋪平了道路?！?

　　負(fù)極材料是鋰離子電池中承擔(dān)鋰儲(chǔ)存功能的關(guān)鍵材料，重要性同樣不容忽視。黃學(xué)杰介紹：“目前應(yīng)用于商品鋰離子電池的石墨負(fù)極材料可逆容量均在300－340mAh/克。對(duì)此，我們開發(fā)出納米孔硬碳球、元宵結(jié)構(gòu)復(fù)合負(fù)極材料，目前復(fù)合負(fù)極材料的可逆容量已經(jīng)達(dá)到600mAh/克。同時(shí)研制出石墨化納米纖維導(dǎo)電添加劑，可以提高高功率電池的功率密度?！?

　　他告訴記者，僅正負(fù)極材料即已申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)發(fā)明專利21項(xiàng)，其中四項(xiàng)獲得授權(quán)，并已獲得兩項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利授權(quán)。?

　　黃學(xué)杰最后表示：“我國(guó)的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，目前已成為世界第二大鋰離子電池生產(chǎn)國(guó)，僅次于日本。我們今后要做的就是開發(fā)大型鋰離子電池的新材料，在降低成本的同時(shí)，還要讓電池更加安全、長(zhǎng)壽?！?

　　■鏈接?

　　鋰離子電池是近幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品，它的陽極采用能吸藏鋰離子的碳極，放電時(shí)，鋰變成鋰離子，脫離電池陽極，到達(dá)鋰離子電池陰極。鋰離子在陽極和陰極之間移動(dòng)，電極本身不發(fā)生變化。這是鋰離子電池與金屬鋰電池本質(zhì)上的差別。鋰離子電池的陽極為石墨晶體，陰極通常為二氧化鋰。充電時(shí)，陰極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向陽極運(yùn)動(dòng)與電子合成鋰原子。放電時(shí)，鋰原子從石墨晶體內(nèi)陽極表面電離成鋰離子和電子，并在陰極處合成鋰原子。所以，在該電池中鋰永遠(yuǎn)以鋰離子的形態(tài)出現(xiàn)，不會(huì)以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)，所以這種電池叫做鋰離子電池。?

　　■數(shù)字863?

　　我國(guó)的鋰電池研究已持續(xù)近20年。?

　　1986年至1995年，作為中科院“七五”國(guó)家重大項(xiàng)目，在物理所陳立泉院士的主持下，鋰離子電池在實(shí)驗(yàn)室的研究開發(fā)過程經(jīng)歷了9年。?

　　1996年，黃學(xué)杰接任課題組長(zhǎng)，開始實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化過程。?

　　1997年，他們以國(guó)產(chǎn)設(shè)備和原材料為主，建成了國(guó)內(nèi)首條年產(chǎn)20萬只18650型鋰離子電池芯的中試線，這種電池芯隨后成功用于廣播級(jí)攝像機(jī)電池。?

　　1999年，成都地奧公司等決定投資3000余萬元，就車用鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行長(zhǎng)期布局。?

　　1999年11月，北京星恒電源有限公司正式成立，以鋰離子動(dòng)力電池為發(fā)展方向，并以公司為主體開發(fā)鋰離子動(dòng)力電池的核心技術(shù)，為鋰離子動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。?

　　2001年，星恒公司承擔(dān)了國(guó)家電動(dòng)汽車項(xiàng)目的高功率鋰離子電池課題，開始在北京建立了中試廠。?

　　2002年，在國(guó)內(nèi)率先解決了鋰離子動(dòng)力電池的正極、負(fù)極等關(guān)鍵材料的安全性問題。?

　　2003年，參照美國(guó)UL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了鋰離子動(dòng)力電池(10Ah、35Ah單體電池)的安全實(shí)驗(yàn)，其中包括過充滿電穿刺、熱箱實(shí)驗(yàn)(150℃)、3C倍率過充到10V、擠壓變形實(shí)驗(yàn)。?

　　2004年10月，由北京星恒電源有限公司研制的高功率鋰離子電池，應(yīng)用于首次參加了在中國(guó)上海舉行的必比登國(guó)際挑戰(zhàn)賽的混合電動(dòng)汽車———“超越二號(hào)”，在七個(gè)比賽項(xiàng)目中獲得了五個(gè)A。?

　　2004年12月，公司一期產(chǎn)品電動(dòng)自行車用鋰離子電池開始進(jìn)入市場(chǎng)。?