伴随着上游材料价格的上涨，动力电池材料创新迫在眉睫目前，潜在的固态电池已经引起了业界的关注，其关键的固态电解质，正负极材料，粘合剂等都得到了多方面的推广

日前，在由盖世汽车主办，上海虹桥国际中央商务区管理委员会，上海市闵行区人民政府指导，上海虹桥投资发展有限公司协办的2022第二届汽车动力电池论坛上，来自北京理工大学机械与车辆学院，电动汽车国家工程研究中心的孙副教授博士表示，对于新型固态电池，我们必须立足于地。

展望未来，孙博士总结道，新一代的材料变革已经到来，纯电化学电池可能会走到尽头，物理化学融合的新材料电池将是新的发展趋势，量子电池进入视野，高能电池电芯也进入资本市场，能量密度更高的物理电池也进入视野，行业必将迎来洗牌只有重视材料技术，才能发展新能源产业

北京理工大学机械与车辆学院，电动汽车国家工程研究中心

组织以下演讲内容:

结构创新和材料创新解决电池安全问题。

在过去的二十年里，电动汽车的发展经历了几个不同的阶段，尤其是最近五到十年，电池的创新非常热烈电池的创新主要是结构创新，进步最快从2019年蜂巢能源的叠层电池，到今年当代Amperex科技有限公司推出麒麟电池CTP3.0，电池结构创新风起云涌

伴随着电池结构的创新，我们也解决了很多电动车的核心问题值得一提的是，当代安培科技有限公司从无模组发展到CTP2.0，3.0，麒麟电池，可以说是走在了CTC的道路上此外，特斯拉，比亚迪等车企也在这方面做了很多创新但是电动车起火问题并没有得到彻底解决，甚至伴随着电动车数量的突然增加，还呈现出增加的趋势目前电动车电池的安全问题还是值得关注的，需要从材料和结构两方面入手

材料是人类文明的基石在过去的发展过程中，人类的每一次进步或技术突破都是从材料科学的突破开始的在新能源汽车电池的今天，大家已经吃到了原材料涨价的苦头，所以现在的当务之急就是创新材料

物质革命已经到了一个关键阶段，它已经成为一个迫切需要创新的领域以前国产电池有很多限制，从隔膜材料的产业链就能看出来从隔膜核心制造设备到原材料，我们都不能自给自足，进口依赖严重，大大压缩了整个行业的利润空间除了隔膜，电池使用的粘合剂PVDF有将近一半需要进口

为了改变过去依赖进口的局面，整个电池需要材料创新如今，固态电池作为一种很有潜力的电池，已经引起了人们的关注除了固态电池的关键电解质，相关的正负极材料也有很多路线

需要强调的是，新的固态电池必须从新的角度来考虑比如，除了通过电化学反应发电，还可以考虑能否让双电层储能和电化学储能一致理论上，固态锂电池由于双电层效应可以储存更多的电荷，这意味着固态锂电池的容量是普通锂电池的两倍

如今，电池技术继续突飞猛进比如宣称是硅碳纳米阳极的Apris已经登陆中国根据消息显示，通过光刻等技术生产硅碳纳米阳极，将彻底解决硅碳阳极膨胀的问题宝马和奔驰也开始考虑能量密度更高的硅阳极电池，但也需要考虑如何解决硅膨胀的问题目前部分企业采用在石墨中掺杂少量硅的方法来提高负极容量，可能需要进一步改进以提高能量和循环寿命

我们需要更多的创新，所以特斯拉对硅碳纳米线电池的期待也很迫切下面我给大家介绍一下电池材料技术，包括固态电池和其他相关电池带来的设备变革，以及电池系统技术

PI阳离子粘合剂

阳离子PI胶的优点是熔点可提高到220度以上，分子量更大，新PI胶的粘度更好这种材料粘结剂的使用将改变目前的锂离子电池

使用阳离子胶首先会将电池材料的种类减少到一种，即正极和负极只需要一种材料其次，使用这种材料后，就不需要再使用NMP，PVDF，SBR，CMC等材料了因为NMP材料在空气中很容易被氧化成过氧化物，这种过氧化物加热时非常容易爆炸，而NMP作为电池正负极材料使用中的稀释剂，也是要经过烘烤的，但最终残留是不可避免的而且在生产线使用PVDF的过程中，PVDF原料中的过氧化物是不会被检测出来的，在车间和烘焙过程中往往会再次收集PVDF进行再利用即使残留在电池中的PVdF没有被氧化，电池的正极材料也不会缺氧只要有氧气，NMP就会变成过氧化物一旦电池因为各种原因温度升高，这种过氧化物必然会和电解液中的有机物一起导致电池爆炸

另外，由于PVdF胶的分子量低，粘接强度低，容易导致电池过早衰减因此，使用阳离子粘结剂不仅可以解决爆炸问题，还可以增加电池容量，延长电池寿命，大大改善锂电池的锂离子环境是锂离子摇椅电池在正负电极之间移动的是Li+，它会在其周围感应出一个负磁场试想在什么电场环境下它更容易移动或者不出现在负极的聚集沉淀中正极是S极还是N极，和负极搭配，S极还是N极比较好使用它，电池的正负极只使用一种粘合剂，可以从根本上提高电池的安全性，增加10%左右的容量，改善锂离子运动的环境，延长电池使用寿命一倍左右还能在物料搅拌过程中节电三分之一，在烘烤过程中节电50%对于富锂锰材料，第一效应可以从60%左右提高到99%以上这种粘合剂的使用将对整个新能源行业产生相当大的影响这是我们需要创新的第一个材料

作为阳离子粘合剂，PI与阴离子GDL基体碳纸材料一起使用时，将有利于氢质子的运动使氢质子H+容易通过扩散移动，更好更高效地进行电化学反应，从而改善燃料电池MEA组件的性能，提高燃料电池的电化学转换效率因此，除锂电池外，这种胶粘剂还可应用于光伏太阳能，单晶硅和多晶硅，燃料电池的双极板，可用作锂电池，钠电池，镁电池的正负极胶粘剂，以及全固态锂电池，钠电池正负极的无溶剂胶粘剂

PI胶还可用作粘接导电陶瓷和电磁屏蔽的无溶剂胶。

固体电解质和硅碳纳米线

至于固体电解质，目前我们可以自主制造LGPS材料，类似于日本早期电动车和造船用的材料2014年，丰田开始在硫化物固态电池上使用类似的LGPS材料，在汽车上做实验我们还可以自主制造鳞片状的NASICON氧化物固体电解质，具有优异的电化学导电性，它还可以解决固态电池的界面问题还有高分子固体电解质材料，可以打造稳定耐用的固体电池界面，导电性极佳！这将在下面详细描述

作为阳极材料，除石墨，硬碳，软碳，钛酸锂，锂金属阳极外，可视为硅碳纳米线阳极至于硅碳纳米线的负极，其结构与碳纳米管几乎完全不同如果用光刻法生产，成本会很高，静电纺丝的生产方法也会面临设备瓶颈等问题为此，我们找到了一种全新的生产方法，可以更经济可行地大规模生产硅碳纳米线阳极如果硅碳纳米线负极搭配优质三元材料，电池性能会非常优异我们还可以控制这种硅碳纳米线材料的微观参数，用于钠离子电池

固态电池接口技术

接下来，我们来介绍一下接口技术中科院物理所采用原位固化方案，很好地处理了固体电解质与正负极材料的界面问题目前我们还是有更新的解决方案

我们认为首先可以采用非生产性成膜界面电解质成膜技术，具有高度稳定的电化学界面，可以降低界面电阻其次，没有液体电解质，不受温度和时间的影响，热稳定性好，可以提高电池的安全性，形成完整的界面膜该技术彻底解决了电解质界面膜的相容性，稳定性和离子导电性问题，也解决了界面粘弹性，相容性，稳定性和离子导电性问题离子电导率达到1×10—2S/cm ~ 1×10—3S/cm，与液体锂盐的电导率一致这项技术可以提高整个电池的性能目前已经引起了国外投资者的关注，急需在国内建厂，相关的知识产权也是我们中方可控的

另一种方案是采用新型天然界面工程材料，白色，密度3.8—6.0g/ml，为层状化学物质，化学稳定性高，层状结构稳定，比表面积大，表面电荷密度高，与有效化学反应物融合后具有离子交换功能，为固体，呈酸性不溶于水和有机溶剂耐酸性强，有一定的碱性，界面稳定性和机械强度高通过使用这种材料，可以解决固体电解质和界面的问题我们还讨论了一种具有高能量密度和10—20年+长寿命的新材料电池，通过使用绝缘材料作为中间层，并用具有超高导电性的层状界面材料粘合两侧，解决了固态电池的界面问题

钠电池，长寿命固态电池及装备技术

许多公司已经开始投资和生产钠电池如果将硅碳纳米线负极和阳离子粘结剂用于钠电池，我们制作的电池能量密度将达到200—260Wh/kg也就是说，目前新材料制成的钠电池可以达到三元级别

钠电池的技术路线有很多，各有各的优势像振华集团的产品能量密度目前在150—160Wh/kg，未来有望达到170—180 Wh/kg，循环次数常温4000+次，高温不到1000次，半年到一年就要6000—8000次目前产品电压已经达到4.0V，现在正在做4.1V和4.2V的系统，低温性能方面，零下20度也能达到90%+的容量保持率快充性能4C—5C，首次效率87%—88%，和锂电池差不多钠电池的出现可以有效缓解锂电池的紧张，钠电池也出现了很多相关的技术进步

关于长寿命固态电池，最近网上有报道称，哈佛大学的工程师开发出了一种可以使用100年的固态电池技术伴随着固态电池和干式电极技术的出现，整个设备技术也发生了很大的变化例如，在干电极中，如果使用阳离子粘合剂，由于其高粘度，在混合电极材料时将需要新的装置

电池系统技术及展望

在电池的最终生产过程中，特斯拉做了电解质，正极材料，负极材料的薄层，最后将正极，负极，固体电解质材料三层粘合在一起，所以需要一台粘合机整个电池系统的技术也在发生新的变化，所以技术进步非常迅速电池材料技术不断创新，新型固态电池将不再使用隔离膜，电解液，PVDF，NMP，SBR和CMC钠电池的出现也将提供锂电池的替代品，缓解当前锂电池资源短缺的局面，对储能行业和电动汽车行业非常有利

目前，似乎有新的方法来改进阴极材料如果使用阳离子粘合剂，硅碳纳米线阴极和固体电解质，可以实现260Wh/kg的钠电池，这种电池会比锂电池更耐低温

这些材料也可用于铝离子和镁离子电池目前国内已经做出镁离子固态电池，能量密度达到400Wh/kg单晶石墨烯等新材料的出现，必然会给电池带来更深层次的技术革命如果使用富锂锰基正极材料和PI阳离子粘合剂，再使用硅碳纳米线负极，可以生产600Wh/kg制造可用于特殊用途的电池并不困难

接下来，我们来介绍一下量子电池与其他电池相比，量子电池有很多优势，其放电率，安全性，尺寸，重量，功率密度，能量密度，自放电，循环寿命，充电性能，效率等性能都会有很大提高它的功率密度将达到每升10千瓦以上目前美国，韩国等国家的公司已经在做量子电池

电池技术正在从过去的化学储能向化学和物理储能一体化发展，也在向能量密度更高的物理电池发展参数的变化很刺激

动力电池的能量密度从260Wh/kg钠固体负极前钠发展到350Wh/kg锂正极，再到锂金属负极电池如果加入三元元素提高分子结构的稳定性，或者采用固态和硅碳纳米线预锂，可以达到560—800Wh/kg的能量密度800Wh/kg电池应考虑双电层物理储能和化学储能如果采用更好的新型拓扑相变材料，可以超过1000Wh/kg

因为目前燃料电池的电化学转换效率不高，所以在全循环碳排放和能量转换效率方面给了氢内燃机和甲醇内燃机机会如果通过阳离子粘结剂等材料使燃料电池的转换效率达到80%+的话，那么燃料电池一定会超越内燃机，甲醇内燃机和氢内燃机不一定再有优势了锂氢能源整合可能有机会，但动力系统技术需要升级以往单纯基于脉宽调制技术的电力系统技术，将需要使用新能源电力系统和控制技术，解决目前车载电源和负载无法工作时无法物理隔离的问题，进而被取代

此外，电池行业正在兴起超级电池高性能电池，能量密度达到1400 W/kg，放电功率密度达到11kW/kg这种电池项目也在逐渐形成还有超高能量长寿命的电池这种电池的使用寿命为100年，能量密度可以达到21kWh/kg

综上所述，电池创新仅仅依靠结构创新是远远不够的必须从材料创新入手其次，老一辈的材料已经到了后时代，后时代可能会持续3到5年新一代的材料变革已经来临，简单的电化学电池可能会走到尽头物理化学一体化已成为新材料电池发展的新趋势量子电池进入视野，高能电池电芯也进入资本市场行业将迎来洗牌因此，我们必须重视材料技术和材料工业只有这样，才能发展我国的新能源产业

日前，电动汽车国家工程研究中心副教授，博士孙在由盖世汽车主办，上海虹桥国际中央商务区管理委员会，上海市闵行区人民政府指导，上海虹桥投资发展有限公司协办的2022第二届汽车动力电池论坛上发表了题为新能源电池的创新技术与展望的主题演讲