CBIS2025直擊 | 張久俊教授：面向500Wh/kg目標的高能量密度電池技術路徑
【電池中國網11月16日 上海訊】11月16日，在第十屆動力電池應用國際峰會(CBIS2025)開幕式上，福州大學材料科學與工程學院院長，加拿大皇家科學院院士張久俊作題為“新能源存儲和轉換中的前沿電池發展”的主旨發言。
以下為現場速記：
尊敬的各位同仁大家上午好!
非常榮幸能夠受邀參加國內這么重要的電池方面的會議，今天想和大家分享下能源存儲和轉換中前沿熱點——電化學能源技術的研發進展，剛才聽了孫院士的報告，他講得非常深入，由淺入深，講得非常好。我也向他學習，爭取講得好一些。
首先介紹下福州大學成立的新能源材料與工程研究院(學術研究院)，由福建省政府大力支持，目前有五個中心，我們購置了一系列的原位設備，對電池材料、電解質等做深入研究，因為我們畢竟是大學，要培養人才，尤其是碩士研究生、博士生，很重要的指標是要發高水平的文章，高水平文章就離不開計算和原位測試。
這是我們團隊，目前有120多人，包括碩士生、博士生，我們的老師。我今天給大家匯報我們團隊的工作，主要是他們做，在這里也感謝他們。
報告分幾個部分，首先我們講講化石能源、新能源發展的趨勢，剛才孫院士已經講的非常多，我就快速過一下。我們可以把能源分為兩部分，一是化石能源，二是可再生能源，可再生能源是目前要發展的重點領域，因為這牽扯到人類發展的可持續性。
實際上我們提出發展新能源，已經有七八十年的歷程，當然到目前為止在全世界范圍內，可持續的能源實際上只占所有能源的16%，其中84%還是碳、石油、天然氣等等，包括核能，目前80%還都是用這種能源。
所以現在16%還不夠，現在在大力發展新能源，問一個問題，為什么發展這么多年還沒有達到我們需要的(占比)，新能源占總體能源的一大部分就是因為存在著挑戰，有四個主要的挑戰：
第一，可靠性不足。太陽能、風能是與氣候有關的。
第二，運輸和分配困難。
第三，并網困難。太陽能、風能產生的電能往大電網里并還是相對比較困難。
第四，成本較高，投資多，見效不快。
這是四個主要的挑戰，使得我們現在新能源發展慢，當然現在在加速。為了解決這些問題，要發展高性價比的、可靠、便利的清潔能源，存儲與轉化的技術非常重要、也非常有必要。
剛剛講到能源存儲，現在發展新能源必須要發展能源存儲，實驗室剛才講了氫能的存儲。這里面主要有幾種，一個是電化學的方法，包括制氫，包括電池等等，這都是儲能技術。第二是飛輪，空氣壓縮、水電磁性超導體都可以用作儲能。今天主要給大家講一下電化學的方法，尤其是電池的方法。
我們看一下電化學的技術，回顧一下什么是電化學技術，這里列出了十幾種。包括常用的鈉離子、鋰離子、燃料電池，以及制氫，鋰硫電池等，都是電化學技術，目前電化學技術被認為是最可行、且最有效的存儲轉換清潔能源的方式之一。
怎樣衡量一個電化學的裝置，無論手機里的電池，汽車里的電池，還是制氫等這些設備，怎樣來衡量，有五個主要的標準。
第一，能量密度，牽扯到續航里程，越高越好。
第二，功率密度，這牽扯到充放電的時間，需要多長時間充滿，需要多長時間放完，就是這樣一個概念。
第三，循環壽命，當然循環次數越高越好，比如現在鋰電池最靠譜的可以達到2000、3000次，這樣就能夠滿足新能源汽車的發展。
第四，價格越便宜越好。
第五，安全性。尤其新能源汽車的鋰電池的安全性，盡管近幾年提高的非常快，但是還是存在一定的風險，在這方面都在大力攻關。
這是根據能量密度、功率密度、壽命和價格列的典型的電池，我們看不同的電池有不同的性能，不同的性能就可以用在不同的場所，可以根據應用的場所來選擇不同的電池。我們可以看到電化學電池有很寬廣的應用范圍，比如運載裝備、能源存儲、電子通訊、國防航天等。
下面講一下幾個目前發展的前沿電池，以及我們自己所做的工作。
第一，固態鋰電池的發展。為什么要選擇鋰電池?因為鋰電池有很高的能量密度，這樣就適宜于在汽車中使用，所以這是用在新能源汽車最重要的根據，它的能量密度高，可以從100Wh/kg到350Wh/kg，并且有很高的功率密度，這就是鋰電池。鋰電池的材料上半部分正極材料，下半部分是負極材料。正極材料比較常用的是磷酸鐵鋰以及三元，負極材料主要是石墨，但是為了進一步地提高能量密度，正極也在發展，負極發展硅碳材料以及鋰金屬材料。
我們看看發展固態電池，為什么要發展固態電池?液態電池做得非常成熟了，為什么還要進一步發展固態電池?因為理論上有那么幾個重要的優點。
第一，安全性高，它是固態電解質，所以我們想象它的安全性應該高。
第二，能量密度高，電解液的電化學窗口比較大，比較寬，所以它能提高能量密度。
第三，熱穩定性好，牽扯到溫度的范圍更廣，結構緊湊。
這幾個優點是我們現在要發展全固態鋰電池的原因，但這幾個優點是我們想象的，存在的挑戰主要是三個。
第一，固態電解質離子電導率一般都是比較低。
第二，比較貴。
第三，電解質界面的問題，這是一個非常令人頭疼的問題，相當于是攻關的重點方向。
需要鋰電池能夠達到10個標準，但是實際上達不到。我們現在研發的兩個重要方面：第一，能源密度;第二，安全性。
對于下一步的無人機、低空經濟、機器人等都需要高能量密度的電池，但是同時又要有安全性，所以這是兩個最重要的指標。
說一下目前的狀態，目前鋰電池的狀態靠譜的大約是300Wh/kg的水平，宣傳350Wh/kg、400Wh/kg是實驗室做的比較多，能用估計是在300Wh/kg，比較保守的說一下。到2030年要達到500Wh/kg這樣的能量密度水平，才能在無人機、機器人等方面應用。
實際上高能量密度全固態電池，現在主要做的研發最多的幾個方面，一個是電解質，一個是界面。電解質目前有四種，一個是氧化物，一個是硫化物，一個是高聚物，還有一個是最近幾年發展比較快的氯化物。最近在Natural和Science都發表了幾篇文章。
這是我們團隊的工作，我們集中在固態電解質的方面，來提高鋰離子傳導的速度以及分析它的機理。比如說金屬有機框架引入到聚合物電解質中產生了快速的離子通道，由于時間關系就不展開了。還有發展樹干結構的柔性復合固態電解質，這種固態電解只可以使離子的導電率大約是在1.1左右，有較高的牽引數和較穩定的電化學窗口。
還有發明了三明治的電解質結構，電解質在正極和負極這兩個界面上進行涂層，這樣就提高了界面的穩定性。另外發明了一種外硬內軟的固態電解質，充進去的時候，是液態。但是通了電之后，就變成固態。這樣就提高界面-界面的穩定性，以及提高它的離子導電率，這是我們的工作。
第二個想給大家匯報的是鋰硫電池，大家肯定比較熟悉這個電池，為什么要發展鋰硫電池，就是因為它有很高的能量密度。比如說硫負極的能量密度理論上可以達到2760Wh/kg，即使裝成電池，理論上也能夠達到上千Wh/kg，有大力發展的潛力。根據我們做的工作以及天津大學等單位做的結果，目前鋰硫電池已經在產業化的前沿，電堆在飛機上也可以跑，是這樣的結果，因為它的能量密度高。
我們要想達到500Wh/kg的水平，我認為只有三種電池要發展。
第一種，鋰金屬的電池。
第二種，鋰硫電池。
第三種，鋰空氣電池。
但是這三種電池里面我個人覺得目前最接近產業化的就是鋰硫電池，我想給大家分享一下鋰硫電池，鋰硫電池的結構實際上和鋰電池是一樣的，只不過正極、負極、電解質是不同的材料。當然這里面存在幾個問題，實際上我們正在攻關，有的攻關已經取得了長足的進步。首先硫導電率要低，第二個是體積膨脹，第三個是穿梭效應。因為硫的還原反應不專一，產生多具硫化物，轉到負極上，使得電機的性能下降。還有安全性，主要是這四個方面。我們在這四個方面，比如說在硫正極、隔膜電解質、負極都要下功夫，都在進行攻關。
這是我們團隊做的鋰硫電池的正極材料，這是在上海大學的團隊做的工作。主要是在鋰正極上摻雜，當然摻雜不是簡單的摻雜，而是通過化學的方法與其他的方法進行摻雜，這樣能夠使得反應具有單一性，控制穿梭效應，提高性能。我們還做了這樣一個正極材料，硫粒子外面包裹一層導電的膏劑物，外面涂一層氧化石墨烯，這個有很好的性能。然后在負極上面采取保護，與聚合物的保護層，包括無機物的保護層。
第三個大的前沿電池講一下鈉電池的發展，為什么要發展鈉電池?因為鈉電池的結構和鋰電池差不多，其實現在的鋰電池的生產線可用于發展鈉電池。主要是資源優勢明顯非常明顯。剛才孫院士也講了中國的鋰只占全球的7%，實際上用的鋰占全球鋰的總量70%，這里面面臨卡脖子的問題。另外鋰資源非常少，但是鈉元素資源豐富，所以它的優勢非常明顯。低溫性能比較突出，我們知道鋰電池在零下負20度以后，基本上容量下降很多，但是鈉離子電池還擁有90%以上的放電效率。
鈉離子的正極材料目前主要有三種。
第一種，過渡金屬氧化物。
第二種，聚陰離子化合物。
第三種，普魯士藍。
負極主要是插入型的、轉換型的、合金以及有機材料。
這是上海大學能源研究院趙教授團隊的工作，我們從三個主要的方面來研究提高鈉離子電池的性能。第一，電機電解液界面的調控，主要是納米尺度的。第二，短程有序的結構調整，是介觀尺度的，第三個是原子尺度的，電荷與自旋調控。我們發展層狀氧化物的正極材料，只要是在相上進行調控，達到好的性能。
在電化學性能方面我們能夠達到在負40度的情況下，180圈還有76%的保持率，我們繼續把它的裝成電池，能量密度也可以達到202Wh/kg，常溫的倍率性能可以達到20個C，功率密度可以達到7.75kg/公斤。
在負極方面我們主要是發展硬碳負極，提高硬碳負極的倍率以及低溫性能，這方面我們做了很多工作。
第四個是前沿電池技術，氫能質子交換膜燃料電池，剛才孫院士已經講的很透徹了，所以我就快速地給大家過一下。燃料電池很多種，實際上現在用的最多的是在新能源汽車里用的質子交換膜燃料電池，因為它用氫能作為燃料的零排放，能量密度也很高，我們知道在元素周期表里最上面的那個就是氫，第二個才是鋰，要用氫能燃料電池的話，它的能量密度很高。
它的反應剛才孫院士已經講的很清楚了，就是氫氣加氧氣生成水的過程，是零排放。我們看看有幾個主要的核心技術：
一是催化劑，我們從這個圖里可以看到綠色就是可以產業化的，主要是鉑催化劑，鉑催化劑我們知道它稀少還貴，我們目前要發展低鉑催化劑，和非鉑催化劑，孫院士他們目前在廈門大學就代表了世界上最高水平(非鉑催化劑)。
二是質子交換膜，這個目前主要是在磺酸膜，我們目前在做高溫的質子交換膜。
三是膜電極，它是一個非常復雜的結構，七層結構，這個國內目前可以生產。
四是雙基板，我們目前已經可以做。
五是高壓空氣泵，這也是一個核心技術。
燃料電池至少發展了一百年，為什么到現在還沒有大規模地產業化，像鋰電池汽車一樣，燃料電池的汽車還沒有大規模推廣以及產業化，就存在著幾個挑戰。總體挑戰：
第一，燃料電池耐久性應用在汽車里的動態操作的情況下，它的溫度、壓力、電壓、電流都在變，這樣對電堆會產生一定的影響，這是科學技術上的挑戰。
第二，燃料電池堆的各個部件都比較貴，這就是經濟上的挑戰，加氫設施普及程度比較低。你有燃料電池汽車但沒有地方加氫，這是一個大問題，不像鋰電池的汽車有充電站，現在也逐步在推廣，油車有加油站，大規模氫產業化還要大力發展。
這是我們團隊做的工作，我們從燃料制氫、儲氫、運氫以及用氫四個環節都做了一些，主要還是在燃料電池方面做得多，我們最近也在做電解水，但是燃料電池方面我們做的催化劑也比較多，發展各種各樣的催化劑。
這是我們發展的催化劑，支持在金屬氧化物上的催化劑，這個催化劑性能非常好，為什么好，我們就使用了同步輻射，以及大數據的計算，發現催化劑粒子與質子體之間的相互作用非常強，并且使催化劑性能好以及穩定性比較好。
我們另外發展高溫質子交換膜燃料電池，這是我們的PPM膜以及性能，目前性能在非常低的鉑催化劑的情況下，可以達到將近兩瓦/平方厘米的水平。這是我們在這方面的建設。
我們目前正在進行氣體擴散層，燃料電池里最重要的部件之一就是氣體擴散層，我們的氣體催化層的黑點比起我們買的性能要好，現在正在進行產業化。
第五個是我們現在正在做的水系電池，我們集中在水系的鋅硫電池，一是水系就非常安全，二是鋅和硫都比較便宜，所以這有很大的一個優勢，并且理論能量密度非常高。比如可以達到1675毫安時/克的高容量。目前我們選擇發展它的電解質，發展有機水混合溶液的電解液，這個文章目前已經在nature子刊上發表，大家有興趣可以去看看。
這在電解液的調控進行了一系列的工作，我們提出了硫還原反應的機理，來增加電解液，可以增加硫反應的選擇性，減少穿梭效應。我們目前做的電池能夠達到將近300Wh/kg的水平，在兩天循環的情況下可以循環一千圈，衰減率只是0.034%的水平。
我們另外做的一個工作，目前一個中心正在做人工智能機器學習來篩選電池材料以及電解質材料，目前建立了一個數據，包括兩萬多個電解液的電解質溶液的大數據庫，利用這個數據庫來訓練機器，進行機器學習，這是我們發展的鎂電池，我們用鎂電池來作為一個例證來做人工智能方面的工作。
當然這個工作主要是基于數學上的大計算還有分子軌道理論等等一系列理論上的工作，我們劉教授帶領團隊在做這個工作，我目前也在不斷地學習這方面的工作。
總結下今天給大家匯報的內容，化石能源肯定是不可持續的，所以我們要大力發展新能源，在新能源汽車方面還是要發展，不能滿足于鋰電池，鋰液態電池，我們還要進一步發展下一代電池，進一步提高能量密度，進一步提高安全性。在這方面我們就要在能量密度、功率密度、壽命、安全性上下功夫，這里面主要是電極材料以及電解液材料，這是兩個最重要的方面。
在這過程中我們要使用現代化的手段，比如說人工智能、機器學習、大計算、原位測試等等來理清整個反應的機理，進一步發展新材料。
最后我想給大家提出一個我個人的思考，這個圖上的縱坐標是能量密度，橫坐標是功率密度，實際上我們現在用的內燃機是最上面的，現在所有的電池沒有發展到內燃機的水平，因為現在能夠用的無人機都用的是汽油機，內燃機的能量密度是最高的。我們現在努力的方向就是朝著內燃機能量密度前進，能夠比較接近的能量密度的幾個電池，我個人覺得燃料電池有可能，全固態鋰電池、鋰硫電池、金屬空氣電池可能比較接近。所以這個過程我們就要發展前沿電池，用現在的液態鋰電池可能希望不大，肯定達不到那一步。
要發展這些電池，我們目前發展的固態電池，我們想象更高的能量密度、更高的安全性，但是目前據我個人觀察，也許不對，還沒有真正地證明固態電池比液態鋰電池有更高的能量密度，更安全性。這需要我們業內同行進一步工作，進一步做固態電池，爭取真正證實固態電池確實比液態電池有更高的能量密度、更高的安全性。這是需要我們做大量的工作。假如不能證明這一點，那我們發展固態電池是干什么用，這是一個很大的問題。
謝謝大家!
(以上為演講速記，未經演講者審閱。)
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