中國鋰電池“突圍記”

鋰電池是電動汽車的關(guān)鍵部件。在世界汽車大國你追我趕、逐鹿新能源車的今天，得鋰電池者得天下。

2023年6月，一塊由我國自主研發(fā)、能量密度每公斤360瓦時的固態(tài)鋰電池正式交付給電動汽車的龍頭企業(yè)，在業(yè)內(nèi)引發(fā)熱議。這一進(jìn)展標(biāo)志著中國在電動汽車大國的道路上又邁出了重要一步，被認(rèn)為是全球電動汽車行業(yè)的重要里程碑。

鮮為人知的是，到達(dá)這一“里程碑”之前，中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在鋰電池領(lǐng)域潛心耕耘40余年。

40多年前的中國，自行車都還未普及，汽車對普通人而言更是可望而不可即的奢侈品。由中國工程院院士、物理所研究員陳立泉帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)見微知著，意識到固態(tài)鋰電池的重要性，并前瞻性地進(jìn)行布局，歷經(jīng)艱難曲折，終于推動中國鋰電池工業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無到有、從跟跑到領(lǐng)跑的歷史性跨越。

歲月悠悠、青春不再，如今84歲的陳立泉夢想依舊：未來的中國天更藍(lán)、路更寬，電動汽車飛馳在大街小巷。

“我們的目標(biāo)一定會達(dá)到?！泵嫒萸迨莸乃抗鈭?jiān)定、自信滿滿。

1 故事從“轉(zhuǎn)行”開始

“我想轉(zhuǎn)向研究超離子導(dǎo)體。目前整個馬普固體所幾乎都在研究氮化鋰（Li3N），據(jù)說可用來制造汽車的動力電池?！?/p>

1976年末，正在德國馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所（以下簡稱馬普固體所）訪學(xué)的陳立泉給物理所領(lǐng)導(dǎo)寫了一封信，申請改變研究方向——從晶體生長轉(zhuǎn)向固態(tài)離子學(xué)。

“同意！前提是要完成導(dǎo)師交代的晶體生長任務(wù)?！蔽锢硭I(lǐng)導(dǎo)很快回復(fù)。

這個決定，讓歷史的航船轉(zhuǎn)變了航向。

在馬普固體所，陳立泉了解到，氮化鋰是一種超離子導(dǎo)體，可以用來制備固態(tài)鋰電池。用氮化鋰制造的固態(tài)電池能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸電池，未來有可能應(yīng)用在電動汽車上。因此，深入理解、研究這一材料極為重要。

當(dāng)時，世界正經(jīng)歷石油危機(jī)，不僅西方社會陷入二戰(zhàn)后最為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)衰退，我國也不得不大量進(jìn)口石油、填補(bǔ)需求缺口。

這更讓陳立泉認(rèn)識到，替代石油的能源革命一定會到來，研發(fā)固態(tài)鋰電池是大勢所趨。轉(zhuǎn)方向申請得到批準(zhǔn)后，他僅用5個月的時間就完成了原計(jì)劃一年的晶體生長任務(wù)，之后一頭扎進(jìn)固態(tài)離子學(xué)領(lǐng)域，研究超離子導(dǎo)體。

1978年，法國科學(xué)家米歇爾·阿曼德首次報(bào)道了固態(tài)金屬鋰電池的研究成果。同年，陳立泉返回中國。兩年后，在物理所大力支持下，國內(nèi)首個固態(tài)離子學(xué)實(shí)驗(yàn)室宣告成立，陳立泉正式開啟固態(tài)離子學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)研究，向著最終目標(biāo)——固態(tài)鋰電池進(jìn)發(fā)。

此后，中國科學(xué)院連續(xù)3個五年計(jì)劃都將固態(tài)離子學(xué)和鋰電池列為重點(diǎn)或重大項(xiàng)目，為這項(xiàng)研究提供了基礎(chǔ)保障。

1987年，我國啟動“863”計(jì)劃“七五”儲能材料（聚合物鋰電池）項(xiàng)目，由陳立泉擔(dān)任總負(fù)責(zé)人，下設(shè)12個課題組。憶昔撫今，陳立泉很是欣慰：“目前我國很多企業(yè)都在生產(chǎn)鋰電池，所使用的技術(shù)主要就是由這12個課題組的科研成果轉(zhuǎn)化而來的。”

1988年，第一批固態(tài)鋰電池在實(shí)驗(yàn)室誕生，但其距離商業(yè)化應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)，中國鋰電池未來的道路依然布滿荊棘。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，鋰電行業(yè)風(fēng)云變幻。研發(fā)前景不明，到底誰能來做中國鋰電池的“領(lǐng)航者”？

陳立泉團(tuán)隊(duì)用行動扛起了旗幟。

2 轉(zhuǎn)攻鋰離子電池

1991年，日本索尼公司宣布（液態(tài)）鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

“固態(tài)鋰電池使用金屬鋰作為負(fù)極材料，而鋰離子電池將鋰以離子的形式藏在碳材料里，更加安全——這是二者的最大區(qū)別?！蔽锢硭芯繂T黃學(xué)杰說。他們先“放下”了還不成熟的固態(tài)鋰電池，轉(zhuǎn)而研發(fā)鋰離子電池。

1993年，經(jīng)費(fèi)接續(xù)不上，陳立泉心急如焚地找到中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)求援：“鋰離子電池非常重要，鋰電池將由此復(fù)活?！敝袊茖W(xué)院給予了最大限度的支持，但研究經(jīng)費(fèi)依然不夠。陳立泉又找到一位敢于冒險(xiǎn)的企業(yè)家才補(bǔ)足缺口，立即開始研發(fā)鋰離子電池。

1995年，中國第一塊A型鋰離子電池在物理所誕生。當(dāng)年12月下旬，黃學(xué)杰結(jié)束歐洲訪學(xué)，回到物理所，趕上了中國科學(xué)院1996年1月組織的鑒定會。他受陳立泉邀請，接任固態(tài)離子學(xué)與能源材料課題組組長。那年，黃學(xué)杰29歲，是陳立泉團(tuán)隊(duì)的“元老”之一。加上他，課題組總共3個人。

回憶起那段歷史，黃學(xué)杰很是感慨：“那段時間，‘板凳’都是冰涼的，幾乎干不下去了?！?/p>

當(dāng)時，與超導(dǎo)、磁學(xué)等國際熱門研究方向相比，鋰離子電池屬于“冷門”，在科研經(jīng)費(fèi)異常緊張的情況下開展相關(guān)研究難免受到一些質(zhì)疑。

但黃學(xué)杰不服氣。他問物理所領(lǐng)導(dǎo)，如果他們轉(zhuǎn)換賽道做產(chǎn)業(yè)化，所里能否給予更大支持。

黃學(xué)杰這么做的底氣，源于首批鋰離子電池樣品的技術(shù)水平。1996年，中國科學(xué)院輾轉(zhuǎn)將A型電池樣品送到當(dāng)時最大的手機(jī)生產(chǎn)商美國摩托羅拉公司進(jìn)行測試，很快得到了正面的評價(jià)結(jié)果。

不過，那時實(shí)驗(yàn)室每天做的鋰離子電池?cái)?shù)量還不足10塊，而產(chǎn)業(yè)化之前的中試線至少需要每天生產(chǎn)1000塊。當(dāng)時課題組的人、財(cái)、設(shè)備極其有限，黃學(xué)杰一籌莫展。

關(guān)鍵時刻，中國科學(xué)院鼎力支持，東拼西湊拿出80萬元?！翱磥碇袊茖W(xué)院是真干！”澳門一家合作企業(yè)的負(fù)責(zé)人深受鼓舞，投資了中試所缺的600萬元。

很快，黃學(xué)杰牽頭引進(jìn)了少量設(shè)備，其余都是自制的。經(jīng)過消化—吸收—再創(chuàng)新，1997年，鋰離子電池中試工作終于在物理所啟動。

為更好地了解鋰離子電池生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)，陳立泉和黃學(xué)杰親力親為，在這條生產(chǎn)線上當(dāng)了一年多的“工人”，什么臟活、累活都干。

1998年秋，依靠自制的設(shè)備、國產(chǎn)原材料和中國人自己的技術(shù)，科研團(tuán)隊(duì)建成了第一條年產(chǎn)量20萬支A型圓柱形鋰離子電池的中試生產(chǎn)線。這是中國第一條正式投產(chǎn)的鋰離子電池中試生產(chǎn)線，解決了規(guī)?；a(chǎn)鋰離子電池的主要技術(shù)和工程問題，為探索我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化道路作出了奠基性貢獻(xiàn)。

同年，黃學(xué)杰發(fā)起成立北京星恒電源有限公司（以下簡稱北京星恒，2003年遷址，改為蘇州星恒電源有限公司，以下簡稱蘇州星恒）。第一批產(chǎn)品進(jìn)入市場，標(biāo)志著中國正式實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池商業(yè)化。

“中國科學(xué)院和科技部支持的快離子導(dǎo)體和固態(tài)電池的研究，為鋰離子電池的研究和生產(chǎn)儲備了知識、技術(shù)、設(shè)備和人才。由于我們使用自研設(shè)備，不僅大大降低了鋰離子電池的價(jià)格，產(chǎn)品也達(dá)到了同樣的性能?！标惲⑷貞浾f。

從此，中國鋰離子電池的全球競爭力顯著增強(qiáng)，并快速躋身世界前三。

3 從跟跑到領(lǐng)跑

當(dāng)時，物理所生產(chǎn)的電池的市場主要面向兩輪車，以及電視臺等媒體的攝影攝像設(shè)備。

黃學(xué)杰講了一個小“插曲”：2001年，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會（以下簡稱中國科協(xié)）在長春舉辦學(xué)術(shù)年會，時任中國科協(xié)主席、第九屆全國人大常委會副委員長周光召和著名物理學(xué)家楊振寧為黃學(xué)杰頒發(fā)了中國科協(xié)“求是杰出青年成果轉(zhuǎn)化獎”。頒獎儀式后，周光召問黃學(xué)杰：“鋰電池做得怎么樣？產(chǎn)品應(yīng)用情況如何？”黃學(xué)杰回答：“記者的攝像機(jī)電池就是我們的首個產(chǎn)品?！?/p>

周光召聽后，便請相關(guān)同志去看看，參會的7家電視媒體用的是哪種品牌的電池。結(jié)果令人驚喜：有4家用的都是物理所的電池，另外3家用的是外國品牌。

周光召倍感振奮，回京后不久就到北京星恒實(shí)地探訪。不僅如此，他還力邀時任科技部部長徐冠華到該企業(yè)考察。這極大鼓舞了研發(fā)團(tuán)隊(duì)的斗志，激勵著他們乘勝前進(jìn)，推動中國鋰離子電池邁上新臺階。

但是，做攝像機(jī)、電動自行車電池畢竟只是“小目標(biāo)”，制造汽車動力電池才是陳立泉和黃學(xué)杰的終極夢想。

隨著時間推移，基礎(chǔ)研究取得重要突破性進(jìn)展。材料是鋰離子電池的關(guān)鍵，一代材料決定一代電池。對于一塊電池，制造成本只占20%，材料成本則占80%。

物理所研究員李泓還是博士生的時候，就發(fā)明了納米硅負(fù)極材料，并申請了世界第一個納米硅負(fù)極材料專利，這一材料可顯著提升鋰離子電池的能量密度。只是當(dāng)時納米硅碳負(fù)極技術(shù)完全不成熟，無法做到中試。

第一代電動汽車電池的正極材料是錳酸鋰，它是由諾貝爾化學(xué)獎得主約翰·班尼斯特·古迪納夫于1983年發(fā)明的。1997年，古迪納夫團(tuán)隊(duì)又發(fā)明了更加穩(wěn)定安全的正極材料——磷酸鐵鋰，這是目前電動汽車、電動大巴、電動船舶等電動交通工具使用的主流材料。

物理所在極其有限的科研條件下，研究了鋰離子電池正極材料的制備方法、基本特性和材料性能，不僅制備出正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰和三元正極材料，還對其進(jìn)行改性，使其具有自主知識產(chǎn)權(quán)。他們對磷酸鐵鋰進(jìn)行體相摻雜改性，讓工藝更簡單、性能更好，并申請了發(fā)明專利，打破國外原始專利對磷酸鐵鋰材料的壟斷。

“第一代和第二代動力電池由外國人先做出來，中國的鋰離子電池則首先從中國科學(xué)院誕生。在這個過程中，我們實(shí)現(xiàn)了從第一代的跟跑到第二代的并跑?！秉S學(xué)杰和陳立泉在思索，“到了第三代，我們能不能趕超、領(lǐng)先？”

進(jìn)入21世紀(jì)，中國要力爭在鋰離子電池賽道上跑得更快一些。

向著這個新目標(biāo)發(fā)力，科學(xué)家需要敢于“下海”，也要舍得“上岸”。

2006年，蘇州星恒年銷電池兩萬余套，達(dá)到收支平衡，同時產(chǎn)品銷往國際市場。“市場接受我們的產(chǎn)品了。”同年，黃學(xué)杰卸下蘇州星恒技術(shù)副總職務(wù)，返回北京，投身第三代電池的研發(fā)。

2009年，在一次討論會上，陳立泉作了《中國鋰電如何突圍》的報(bào)告，提出鋰電突圍取決于三個方面——對基礎(chǔ)研究的重視、政府和企業(yè)家的資金投入，以及正確的國家戰(zhàn)略。鋰電池生產(chǎn)商ATL（寧德時代前身）董事長張毓捷聽完，馬上與陳立泉擊掌盟誓，“實(shí)現(xiàn)中國鋰電突圍從ATL開始！”2011年，全中資公司寧德時代橫空出世。

近10年來，在黨和國家的大力支持下，寧德時代等鋰電池生產(chǎn)企業(yè)與科技界通力合作，發(fā)揚(yáng)“三千越甲可吞吳”的精神，使我國鋰電池實(shí)力迅速上升，產(chǎn)品競爭性極大增強(qiáng)。2014年，中國鋰離子電池的國際市場占有率已為世界第一。近些年，全球排名前十的鋰電企業(yè)中，中國企業(yè)有6家。

陳立泉和黃學(xué)杰團(tuán)隊(duì)在第三代鋰離子電池的基礎(chǔ)研究上取得了系列突破，其中他們基于鎳錳尖晶石高電壓正極材料研發(fā)的鋰離子電池中試即將完成，能量密度比第二代的磷酸鐵鋰電池提升50%以上，量產(chǎn)后預(yù)期成本也明顯下降。