7月7日，2021中国国际锂电产业大会（简称金砖锂电论坛）在上海汽车会展中心顺利召开。本届金砖锂电会议为期两天，主题为以“新技术、新应用、新发展”为主题，采用“会议论坛 展览展示 体验营销”三位一体的创新模式，多项重点活动同期同地举办，充分协同联动，品牌效应和影响力大幅提升。
加拿大皇家科学院院士、工程院院士、工程研究院院士，上海大学理学院院长、上海大学可持续能源研究院院长-张久俊出席论坛并发表主题演讲——《全球电动汽车电池及锂电池的发展：现状、挑战、展望》。
以下为演讲实录：
非常感谢大会的邀请，给我这样一个机会与大家分享目前全球锂电池发展的状况。
一、新能源电动车发展的趋势
目前，全球机动车保有总量大约有17亿辆，其中，中国有2.7亿辆。这些汽车大部分都是燃油车，主要是烧汽油或者柴油等化石燃料，也就是高碳燃料。燃油车的大规模使用带来一种不可控的污染--它排放的尾气含有二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等污染物，造成大气污染，对于人类可持续发展造成威胁。因此，我们要大力发展低碳或绿色能源转换技术，新能源电动车就是其中的一种。
为什么我们说新能源电动车发展有它的优势？首先，世界主要发达国家都把发展新能源汽车列为国家战略。去年以及前年，德国、法国、英国这些发达国家都纷纷宣布，到2040年左右禁售燃油车，我们中国也在考虑这个问题。目前我们国家在大力提倡碳中和，碳达峰的能源战略：到2060年中国要达到碳中和，这就要求我们大力发展电动车。另外，根据国际上的《巴黎协定》规定，在2100年前要把全球平均温度控制在2摄氏度以内。为了达到这个目标，就需要在2040年左右，全球汽车在现在保有量的前提下，电动汽车数量需要达到6亿辆。而新能源电动车的动力系统主要就是电池，包括燃料电池、锂电池和其他电池，电池是电动车的核心。
二、电化学能源技术
什么是电化学的技术？电化学技术是目前被认为最可靠、最有效的能源转换形式之一，包括很多种类，常见的有锂电池，燃料电池、二氧化碳还原、镍氢电池等，还有金属空气电池，这些都是电化学技术。衡量电化学电池技术的优劣有五个大的指标：
1.能量密度要高，尤其在汽车领域内的利用，对这方面的要求更高，主要涉及到汽车的续航里程。
2.功率密度：通俗讲就是存储的电量可以在多长时间可以释放出去，如果存了大量的能，但是输出的很慢，花费很长时间，那么功率密度就比较低，在汽车上的应用就大打折扣。
3.循环寿命。汽车电池能够充放电多少次，这关系到汽车成本，对于普通购买者来说，非常重要。
4.价格。这个电池再好，但是非常贵，那也不利于产业化。除非在一些非常特殊的环境下，比如说空间电源上，可以不计价格，或者军事上不计价格。但是作为民用，大面积推广，价格还是必须降下来才能有市场。
5.安全性。安全性应该是动力电池首要考虑的问题，这毕竟关系到乘客的生命安全，应当列为第一大指标。
目前，主要通过这个五个大的标准来衡量电池的好坏。这副图是根据能量密度、功率密度、寿命、价格和安全性，总结出来的各种电池呈现出的不同应用场景，用户可以根据你的需要来选择不同的电池。当然，这里面有很多电池还处在早期的发展阶段。比如说金属空气电池，能量密度特别高，但是现在处于发展阶段。燃料电池现在可以在汽车利用，但是价格很贵，所以目前也达不到大规模产业化。
三、锂电池发展的趋势
锂电池有很多的应用：1.运载装备，比如应用在汽车上；2.能源存储：最近几年光伏发展非常快，风能发展也非常快，这些绿色能源必须要储存起来，才能够有效应用，才能变成真正的绿色能源，否则就是弃电，垃圾电。这就需要锂电池来储存这些能源；3.电子通讯；4.国防航天。
目前虽然锂电池的应用场景非常广泛，但是，我们也要清醒地认识到它存在的一些问题：1.循环寿命无法满足现代社会的发展要求。2.能量密度无法满足当今人们对汽车续航里程的要求。3.安全性问题，我们要提高能量密度，假如我们用磷酸铁锂材料，安全性可能稍微好一点，但是还是有问题的。尤其是在汽车上的应用，要提高循环寿命和减少充电时间，更要提高安全性。
这张图是锂电池关键材料技术路线发展，从图中可以看到锂电池包括正极材料、负 极材料、隔膜、电解液、导电剂，每一代锂电池的发展对这些材料都有不同的要求。随着电池材料的不断更新发展，锂电池的能量密度由第一代100Wh/Kg，增加到第二代的200Wh/Kg，目前已经发展到了第三代，这个数值提升到200-320 Wh/Kg，主要是指三元体系。
目前，车用动力电池的主要有锂离子电池及全固态锂离子电池、可充电锂硫电池、锂空气电池等。首先，我们来看锂离子电池及全固态锂离子电池，该类型电池的优势非常多，主要应用于电动车及电网中。该类电池目前的研究方向主要集中于（1）采用新型纳米材料提高能量密度和功率密度，（2）提高循环寿命和减小充电时间，（3）改进组装模式。我们团队在这方面的研究主要集中在负极材料，合成制备了多种高性能的金属氧化物负极材料，这些材料可以进一步提高电池的能量密度。
第二个可以用到汽车里的电池是锂硫电池。这类电池的能量密度和功率密度都很高，优势非常明显。但是也存在一个问题，它的循环寿命还有待提高。目前最好的锂硫电池循环寿命可以达到800-900次，但是这个循环寿命还是无法满足在汽车上的应用。
第三种可以用在汽车上的就是金属空气电池。金属空气电池，尤其是锂空气电池尽管目前发展不是那么快，但是它的优势非常明显，前景非常好。其中，最大的优势是理论能量密度非常高，可以达到3600Wh/Kg，相当于最好锂电池的10倍。但是目前发展还是受限于循环寿命，另外一个缺点就是易受操作环境影响。该类型电池的商业化还有一段距离，目前的研究方向应集中在新材料探索，尤其是双功能电极材料。我们在这方面做了一些研究，合成出的这些电极材料看起来都比较漂亮，性能相当不错。
这张图是目前全球知名品牌电动汽车的锂电池状态，包括电池的化学组成和最佳实用性能等。这些公司的电池能量密度一般都可以达到300Wh/Kg，即使磷酸铁锂也可以达到180 Wh/Kg左右，循环寿命在1000-1500次，但是成本价格比较高，都在100美元每千瓦时左右。
接下来让我们了解一下高能电动车发展的里程路线图，也就是我们经常提及到的续航里程问题。从图中我们看到，2014年的电动车续航里程大约是190公里，经过业界同仁的不断努力，电动汽车的续航里程发展到今天的400公里左右。但是，如果要满足人们的需求，电动汽车的续航里程至少在500-700公里，才能媲及燃油车。另外，续航里程和能量效率是密切相关的，一般指在标准能量效率下的续航里程。我们到2030年要达到600Km/Kg，使我们的电池发动机系统能量密度要达到350Wh/Kg。
这张图展示了2020年1月-6月全球前20名电动车电池出货量及系统能量密度，这个出货量非常大。尤其从2021年以来，各个大的锂电池公司的出货量都在大幅度增加。据我和几个锂电大公司的主管聊天得知，他们的订单已经排到明年上半年。
这张雷达图里面有十个标准，中间的红色是锂电池目前能够达到的。我们可以看到，目前锂电池需要在能量密度，功率密度，循环寿命等方面进一步的提高。其中，我们要发展长续航里程的汽车，关键指标是能量密度，这是技术更新换代的一个标志。当然，能量密度的提升必须在高安全的条件下才能有效。
这张图是中科院李泓教授总结的关于提高锂电池能量密度的PPT，我借来用一下。从图中可以看到，从上世纪90年代一直发展到2020年，我们目前电池本身能够达到300Wh/Kg的水平。到2030年要求电池本身能够达到500Wh/Kg。怎么样能够达到这个指标？接下来和大家仔细探讨。
能量密度和安全是紧紧结合起来的。从这个图中可以看到循环寿命以及它的能量密度。能量密度越高的电池，它的循环寿命越差劲。能量密度越低的电池，它的循环寿命越好，这就是一个自然规律。但是，我们应该怎么做呢？既达到一定的循环寿命，也有最高的能量密度，这是我们努力的目标。
这一张是下一代锂电池发展的路线图，目前我们用的是磷酸铁锂和三元材料电池，到2020-2025年要发展固态电池和锂硫电池，2025-2030年要发展锂空电池。根据目前的推算，电池循环寿命达到3000次才能满足2030年电动汽车的要求。
实现高能量密度有效策略有很多种，主要体现在这张图中。首先我们要认识到问题，这些问题造成的后果，后面有改进方式。高能量密度在未来的发展趋势是发展高能量密度全固态锂电池，这是我们未来发展的趋势。
全固态锂电池的主要问题是什么？电解质的导电性，包括氧化物的电解质、硫化物的电解质、聚合物的电解质，以及界面与兼容性两方面的问题。我们可以通过改进措施来达到全固态锂电池的发展。我们看看目前对于全固态电池研究的发展现状，这里面列出了很多大公司，包括我们中国的几个大公司，他们用的电池类型，目前达到的参数以及应用场景等等。
在未来追求的目标中，锂电池的能量密度需要达到500Wh/Kg及以上。有哪几种电池可以达到呢？我列出来三种电池。1.锂硫电池，2.金属空气电池，3.二氧化碳电池。
锂硫电池和锂空电池发展非常大，总体的趋向还是从液态电池到全固态电池。全固态锂硫电池存在四个方面的问题：1.硫导电率比较低；2.体积的膨胀；3.Li负极的安全性和4.穿梭效应。硫产生反应以后，产生小分子硫化物，可以穿过溶液到负极上，产生穿梭效应。对此，我们也有很多的应对策略，业界的同仁也在做非常大的努力。
第二个可能实现500Wh的电池是锂空电池，锂空电池存在的问题是空气电极、催化剂、电解液等方面的问题。锂空电池主要的改良策略是开发合适的碳空气电极材料，发展双功能催化剂，这是非常重要的一个方面。
四、总结与展望
1.大规模使用基于化石燃料的燃油车会造成污染并破坏我们的环境，需要用电动汽车替代部分燃油车。
2.发展固态锂电池（包括锂离子电池、锂硫电池电池和锂空气电池）的进一步开发是实现电动汽车500Wh/Kg能量密度目标的必要策略。
3.提高能量密度、功率密度、寿命仍然是电池开发的研究重点。探索低成本的高性能电极、电解质材料是关键因素。
4.安全性是当今和未来锂电池最重要的因素。
5.可以进一步探索锂二氧化碳电池，这对我们碳中和起到一定的作用，而且能够达到500Wh/Kg的目标。但是这类电池目前停留在概念阶段，要进一步发展。
以上就是我今天报告的内容，谢谢大家！
