如何破解电动汽车的“里程焦虑”？陈立泉院士主张采用“换电”模式

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续航

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可见电池的储能技术要亟待的需求突破，它已经给我们亮起了红灯，这是时代的需求。。。

如今，锂离子电池面临，诸多现实挑战，续航能力有限，能量密度提升已接近上限，锂离子电池未来何去何从？面对固态电池、钠离子电池、氢氧燃料电池等电池新势力，(新势力)，谁才是未来的终极电池？《中国经济大讲堂》特邀中国工程院院士陈立，泉，深度解读《锂电池如何驱动“电动中国》。

从2018年全球电动汽车电池企业市场份额，的排名情况来看，前10名中排名第一的，是宁德时代，第2名是日本的松下公司，第3名是比亚迪，中国有6个锂电池企业位居动力电池世界，市场占有率前十。宁德时代是37.23%，稳居第一，日本松下公司21.54%，排名第二，比宁德时代差十几个，百分点。

中国锂离子电池产量，为什么能够世界第一？

中国锂电池研究并不晚，几乎和世界同步。1976年的圣诞节之前，科学院派遣我到西德，斯图加特马普固体所进修，我很快发现他们全所上下都在研究氮化，锂晶体的性能，我感到很奇怪，为什么大家对氮化，锂这么感兴趣？当时才知道氮化锂是一个离子，导电的材料，据说是一种叫，超离子的导体，可以用来作汽车的电池。他们的研究所有，个开门办所，有一天对社会开放，他们就把这个氮化锂，这一个类似于扣子似的，小电池摆在桌子上，旁边放了一个铅酸电池。我一看，一个铅酸电池很沉，一个扣式电池很轻。我马上就给，国内所里打报告，说我要改行，从晶体生长改到新的学科，叫固体离子学。回国以后，科学院非常支持把这个，项目给物理所，很快就成立了一个固体，离子学实验室。这是当时国内第一个固体，离子学实验室，也是物理所最小，的一个实验室。我从事的工作就是锂离子导体，和锂电池研究。

1991年索尼公司宣布，产业化以后，物理所迅速跟进了。当时我们就找，了一个投资方，1993年签订了一个a型，锂离子电池的研究开发协议。1995年第1块锂电池就，从中科院物理所诞生了。当时A型锂离子电池就是“大哥大”的电池。

现在有一种观点说，锂电池是日本人发明的，中国在锂电池方面技术，不行，只是在应用水平上，比较领先。锂离子电池的发明肯定，不是日本人，要不诺贝尔奖怎么是给两个美国，人和一个日本人。所以说锂离子电池是日本人发明的这个，话不完全对，可以说锂离子电池是日本人先产业化的，这句话是对的。我们可以从，这张图看得出来，日本人最早1991年，宣布产业化，市场占有率是100%，然后一直往下掉，现在还在往下掉。连索尼公司都不做锂离子，电池了，它的锂离子电池卖给了，另外一个公司。韩国人(韩国人)跟中国人，是往上走的，到2014年我们中国，的动力电池、锂电市场份额已经超过，了日本跟韩国，处于世界的第一位，现在还在往上升。

我们锂电池技术从目前发展，的情况来看是不错的。实际上是学术界、工程界和产，业界的一个合作，是研究院所和，大学的通力合作，高度重视原始创新、基础研究和应用研究，紧密结合，加快研究成果的，产业化进程。



2019年诺贝尔化学奖的获得者Goodenough(约翰·古迪纳夫)发现了普遍使用的正极材料钴酸锂，还有磷酸铁锂，但这两种材料都有缺点。钴酸锂实际上只能取出0.5摩尔的锂，而磷酸铁锂实际上是，个绝缘体，都有缺点。我们想办法找出它的缺点，然后通过理论计算和试验相结合进行了改性，并且取得了专利权，这个专利权对于我们锂离子电池的发展起了，非常重要的作用。

前几年比利时的五矿公司要，到中国来收锂离子正极材料知识产权费，据说是一吨要收5万。做钴酸锂三元材料大概一吨，的利润可能也不到5万，他们就到海淀知识，法庭把我们告了，后来中国的做正极材料的企业联合物理，所和他们庭外和解，因为我们有这个专利，所以他们再也没有，提要收专利费的问题。看得出来，不是我们的原创材料，但是我们做了工作，我们也申请了我们的专利，对于保护我们自己的企业是很，有好处的。

第二个例子就是磷酸铁锂。它是个绝缘体，我们通过理论计算，它是个一维的离子导体，如果说你在锂位掺，上铬这种大的离子的话，就把这个锂的通道堵塞了，这样是不行的，没法用。后来就有人又提出来一个，在铁位掺钠。铁位掺钠的时候，颜色变黑了，电导率也提高了几个，数量级，它的离子电导率和电子，电导率都挺好。所以法国和德国科学家认可，这个工作，这是唯一的一条可行的路，打破了国外的原始专利对磷酸，铁锂材料的垄断。这样才有我们现在各锂电池企业在相当大量，地使用磷酸铁锂材料，不受国外知识产权的影响。

从这两个例子可以，看得出来，虽然我们没有做原始创新，但是我们给它改性、再创新了，也是非常重要的。刚才讲的是两个正极材料，那么现在我讲负极材料，这是我们的原始创新了。清华大学很早就申请了天然石墨做锂离子，电池负极的专利。两年前，它申请了国家的发明奖，这个发明奖就等于是承认了我们，用天然石墨做锂离子电池的负极是我们的知识产权。光有石墨还不行，石墨的容量是比较低的，372毫安时每克。硅的容量实际上，是相当高的，那么硅能不能够，作为锂离子电池的负极呢？1999年我就做了这个工作，申请了第一个专利。所以国际上第一个硅作负极的专利是，我们申请的，这个是美国人也承认的。但是你要把它用上，还是相当困难的。从几百毫克到几百公斤，用了17年的时间，这17年我们走的，路从文章变成技术，然后变成产品，变成市场。

我们现在的原材料，基本上是已经国产化，进口的量已经相当少，同时我们的设备绝大部分也都是，国产化的设备，更不用说员工的技术，现在基本上都是我们，自己培养的技术。对锂离子电池最大的“焦虑”就是里程问题。里程问题是指锂离子电池现在的，能量密度还不够高，充一次电大概行驶里程也，就是100多公里、200多公里。

我觉得电动汽车应该，把车跟电分开，就是买车和买电池要分开。最好是买一辆电动车，我每天上班，如果是从天安门到，清华或者到五环路就可以，可能也就是30公里，那是不是买一辆车能开30公里，就行了？不一定非得要开100多公里、200公里，也就是说装10度电就够了。那么车子的钱加上(钱加上)这10度电的电池的钱肯定，(钱肯定)不会超过10万元钱，大概五、六万我就可以买一辆车。但是我要开长途车怎么办？能不能我开长途车的，时候再去租电池？也就是说要专门成立，一个电池的公司。

实际上我是不主张快充的，因为现在锂离子电池的机理，决定了它是插入式反应，就是说你要允许离子能够，有时间把它插进去。而且现在我们所用的，正极材料也好，负极材料也好。负极材料用石墨，石墨是个层状结构，层状结构只有离子要对着那个层，才能插进去。如果说正好那个石墨，跟它离子是垂直的，它进不去，它就要转一个90度才能进去。所以你要给它，一个转90度的时间，如果说你不给它一个时间，直接快充的话，它转不过去就会，在石墨片上沉积下来，这样对电池寿命是不利的。同样，放电的时候，如果特别快地放电，倍率太大了也不行，它也是层状结构的。一个正级材料它回去，也是一样，它是要找准那个，狭缝它才能进去，如果它找不准的，话也进不去，也要等着有，机会它才能往里走。所以说我不主张快充，我是最希望换电池的。适当的倍率充是可以，但是特快了不行，换电模式是好，但是做起来相当困难，标准不好统一。这个一定要国家统一来，考虑，如果说国家不出台政策统一，考虑的话，那是很难做的。

现在蔚来公司有一种，换电的模式，它从北京开到深圳，每开一步它是有地方换电，几分钟就可以换完，充电最快是大概一刻钟，就是喝一杯咖啡的时间。一刻钟已经是够快的了，换电的话它几分钟就，可以换完。因为我最早参观换电是，在清华，清华里头有一个换电，的装置，车开上去之后就把，车给顶起来，换电的装置都在地底下，很快就把它换掉了。但是这个车一定要标准化，电池一定要标准化。所以这就要求国家，要统一出台政策，就是换电的政策。

我大概一个月以前，在北京打了一个出租车，从圆明园到中关村，我坐的正好是电动汽车。我就问他，这个车跑一天充几次电，他说我不充电我是换电。我说北京有换电吗？他说有，北京出租车全部是换电。就是说现在换电他不用管，你开到那儿去，就有人帮你把电换了，他们还是喜欢开电动，出租车。所以将来我们解决退补，以后，我觉得一个不让销路往下滑，的很重要的事，就是我们是不是可以再回过来重新考虑，换电的模式。

我们发展电动车不是为发展电动车，而发展电动车，实际上是跟我们国家的能源情况，密切相关的。到2050年，我国自产石油大概每年1.8亿吨是没问题的，就是说从现在开始到，2050年还可以在1.8亿吨每年的这个水平。实际上这条红线就是1.8亿吨，去年大概是1.9亿吨，石油的对外依存度最好不要，超过50%。2017年进口石油是4.2亿吨，国产石油1.92亿吨，对外依存度到了68.6%，已经远远超过50%了。那么我们的汽车，的保有量是2.17亿辆，每千人是167辆，世界平均每千人是131辆，我们现在比世界平均水平稍稍高一点，(高一点)，但跟美国的每千人800辆那，还差得远。汽车的油耗，如果说按照一辆车一年平均两吨油来，算的话是4.3亿吨油，也就是说，我们进口4.2亿吨给汽车用掉了。最近发现了两个大油田隐，藏量是10亿吨，这都是作为特大喜讯报的。我问了他们回采率是多少，他说回采率可能低于50%，大概40%。两个油田的话，也就是说两年不用进口，但是第三年还要进口，而且不可能老有像这种，10亿吨的油田被发现。所以从这个可以看得出来，我们的储油现在只够40天用，而日本的储油是200天。我们国家储油希望，能够是100天，这样的话，实际上我们最近几年这个储油，量已经是大大增加了。

另外要考虑全球二氧化碳，的排放，因为我们是参加了《巴黎气候协定》的，中国2010年二氧化碳排放量开始急剧往上升，最近几年稍稍往下掉一点，然后又往上升了一点。中国的二氧化碳的排放量，是世界第一，所以实际上我们受到的压力是相当大的。《巴黎气候协定》规定温度的升高，不能高过两度，这也是大家的希望。因为现在像我们国家的西部那些雪山好像，也都开始融化，你看美国排放量比我们低，本来它是第1位，那么现在我们中国第1位。因为印度现在发展很快，它如果不控制的，话肯定要远超过中国。我们希望交通能够电动化，小城市是自行车、汽车、公交车，大城市多一个地铁，城市间现在有高铁，有飞机、有船舶。我们希望包括高铁、飞机、船舶都能够电动化，就是电动汽车、电动飞机、电动船舶，这就要靠锂电池。

最近沈阳有一个企业，做了一架电动飞机，是两个座的。但实际上你们从网上看，的话，2010年上海一个民营企业已经，做了一个电动飞机，也是两个人的，已经试飞成功。实际上现在电动飞机做，得好的是以色列人，现在做九个座位的。所以现在我们除了电动，汽车，还要发展电动船舶，和电动飞机。实际上现在中国已经有电动船舶了，是在广州的一个2000吨的电动船，它用的电池的量，大概是八十几辆电动车的电池量，是在珠江运煤做运输，的这个船。在上海也有500吨的这种船，不止一艘，有好几艘了。另外在溧阳现在已经注册了一个，电动船舶的公司，那是哈理工(哈理工)的李革臣教授，注册的一个公司。有人说电动汽车并不，减少二氧化碳的排放，实际上这个电就，从电网的电，从发电厂到用户，它是分高峰电和低谷电。峰电和谷电它，的价格不一样，要鼓励用谷电。

另外，我们发展太阳能跟风能、水能、核能，这几种能源对二氧化碳的排放当然，是相当少，但是这些能源实际上它，都要储能的。原来我对太阳能没有什么印象，我参观过北京附近的张北，我才知道，太阳能实际上更需要储能。就说一朵乌云来了以后，把太阳一遮，它的发电突然一下就小了，几乎就为零了。当这朵乌云一走，马上这个电流就上来了，所以它比风电更需要储能。风电，不管风来风走，我这个风叶还在那儿转。风来的时候转得快一点，风走了以后转得慢一点，所以它不像，太阳能那么厉害。风电、太阳能都需要储能，所以现在有的地方，弃风弃光，还有水力发电的弃水，我们弃风、弃光、弃水大概电量是1100亿度，电每年，可以够600万辆电动汽车用一年。实际上你只要能够把储能，搞好了，你不要增加新的发电厂，不要多烧煤，你就把这个谷电，用起来就可以了。

实际上就是我们要建一个，能源互联网，这个实际上已经提了，好几年了。我买了一辆电动车，我走到哪儿我都能充电，就跟现在自行车一样，我走到哪儿只要刷一下码，有自行车在那儿，我就可以骑一辆车走。将来也能够做到这么方便，我的汽车没有电了，我走到哪儿我，有一个充电桩，一刷码我就可以充，或者说换电，这就当然是更不用说了。现在说互联网的概念，还有云存储的概念，实际上将来都可以把，这些概念用在能源上。因为现在能源的话，还是条块分割比较厉害，就是国家电网它也是，国家电网有一套，然后各个地方有地方一套。比方说现在是弃风弃光，那么它可能是，为了减少弃风、弃光要各个省市分摊任务，这当然是国家的一种办法，但是如果能源互联网，真正实现的话，我就可以把新疆的风能、太阳能存储起来，上网就可以了，别的地方有需要就，可以用了，这样就比较方便。我们现在有的，地方电能很便宜，有的地方电能就很贵，如果能够把新疆的电弄，到需要的地方不是挺好吗？我想能源互联网就要起，这个作用。现在的锂离子电池，是液体电解质，那么能量密度已经，基本上到了极限，大概300瓦时每公斤，或者350瓦时每公斤，已经到了极限。那么安全性问题时有发生，由于它一个能量密度有限，一个安全事故会发生，所以这样我们要考虑，固态电池。

固态电池它是什么呢？现在我们用的是，锂离子电池，更全面一点包括，像镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池这些都是液态电解质，的电池。固态电池可以做得跟，锂离子电池一样，只不过把电解液，换成是固态。它是固态，就是里头不含液态或者，液态含的很少。固态电池实际上不是一个新，的东西，“六五”计划、“七五”计划我们就将固态电池，列入重点课题，那么科技部也是第一个把固态，电池这个课题列为重大项目。固态电池的关键就是，要研究固体电解质材料，固态电池它的负极是，用金属锂。中间这个电解质是固体，固体电解质不是液体，那么正极可以用不含，锂的正极材料，也可以用现有，的这种正极材料。如果说能够找出来，不含锂的正极材料，或者说容量更高的，我们就可以做出能量密度更高，的固态电池，那么它的能量密度就，可以大于每公斤500瓦时，那么它安全事故，可以大大减小。

实际上固态电池不是说，没有短路的那一天，如果固态电池有短路，那一天它会不会燃烧？金属锂在空气里头，可能起某种反应，但是它的量比较小，它不会爆炸，所以安全性应该说是比现在的锂离子，电池应该要安全。

固态电解质基本上我们中，国人没有原始创新，比较少。既然要发展固态电池，一定要有我们的创新。常见的聚合物的，材料就这么几种，PEO (聚环氧乙烷)、PP0(聚环氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈)，它们的室温离子电导率都，比较低。最近青岛能源所崔光磊做了一些，新的工作，他可以室温下做到10的负4，次方西门子每厘米，他的电池也用上了，所以应该说有新的进展。米歇尔·阿芒德听到崔光，磊的报告以后，第二天就给我发个E—MAIL，说看来中国人再一次，走到了世界的前列。最近新引进(新引进)的，一位王雪峰博士，物理所把他引回来了，他把锂离子电池和锂氧，电池混起来，他是用什么？用硫化钼作正极，二硫化钼它可以插锂进去，也可以插氧进去，形成一个新的化合物。混起来以后，它容量是相当高的。这个工作我们在物理所也，申请了专利，所以这是新的一些思路，将来会对固态电池起作用。

所以我希望通过固态电池的发展来使我们，国家能从跟跑、并跑一直到领跑。能够使世界市场占有率，第一位的位置我们能够保持。要保持这个第一位地位，的位置，我想对目前的锂离子，电池的工作我们不能放松，就是有很多创新的工作、创新的成果我们要往，产业化走。

日本人Kanno(菅野)我很佩服他，他一直坚持固体电解质，一直没放，我觉得日本的这一点，我们是值得学习的。我们的固态电池研究工作从，锂离子电池开始就基本上都放掉了、停掉了，但是现在，只是现在我们又回过头来，重新去做。我觉得重新去做也不晚，我们还可以，实际上还可以赶得上，从目前的趋势来看我们，还是有优势。所以锂电池的工作，无论是锂电池也好、固态电池也好、还是液体电解质电池都是应该，是有很多工作要鼓励创新的。除了这个以外，其他电池一定要做，比方说钠离子电池，你别看现在大家，做锂离子电池都是信心满满，但是全世界开的车都用锂离子，电池的话，实际上锂是不够的。昨天米歇尔·阿芒德也给了一个数据，就是说全世界10%的电动汽车都用电池来，开的话，它大概需要多少电池 ？60多亿吨还是多少，量是相当大的。这样的情况下，一定要发展像钠离子电池这，一类资源比较丰富的电池。另外铝离子电池、镁离子电池或者是锌离子电池这些实际上，也应该做的，特别是有些工作是我们，有优势，是我们在先的。

钠离子电池是我们有优势，第一辆低速电动车是我们，演示的，第一个100千瓦的电站，是我们演示的，然后就像锌离子，电池的专利，人家也承认是中国的，首先的专利。现在我们正在做锂的，或者镁的固态电池，我觉得这些东西的，话大家都是从头做起，我觉得是我们只要抓住时机，能够不放弃，应该说是有机会走到，世界前头的。

氢氧燃料电池不是电池，它实际上是个发电装置。就是说你有了氢了，我通过它加上，氧我可以发电、产生电，它是个发电装置，不是电池。但是氢氧燃料电池我们一定要，研究。氢它没有矿，它不像锂，锂有锂矿。中国的这个锂的资源虽然是，没有南美洲那么多，但是我们还算是锂资源比较，丰富的国家，但是氢你没有。你将来氢从哪儿来？有人说你电解水制氢呢?那当然是可以电解水制氢，大家都可以电解水制氢，但是电解水制氢要什么？要电。你有了电，以电解水制氢，然后氢你再把它装瓶也好，把它液化，最后你再把氢，又用氢氧燃料电池去发电。就是说开始是电，最后还是电，你都是用这电去开车。

如果说能够解决太阳能光解水，制氢这个问题，那么将来我们氢氧燃料电池的确，是大有希望。氢氧燃料电池我们要研究，但是要大发展，就是说它要去取代，锂离子电池的这个地位，不是近期的事情。

下面这个是3D动画展示：锂离子电池的工作原理：

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来源：《中国经济大讲堂》

视频来源：@工业科技迷

视频翻译：@果仁字幕组

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