【2024泰達論壇】歐陽明高：2030年新能源會佔主導地位

2024年8月29日至9月1日，第二十屆中國汽車產業發展（泰達）國際論壇（以下簡稱“泰達汽車論壇”）於在天津濱海新區舉辦。本屆論壇以“風雨同舟二十載 攜手並肩向未來”爲年度主題，邀請重磅嘉賓展開深入研討。

在8月31日“開幕大會：壯闊二十，共赴新質生產力涌動下的產業未來”中，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高發表了題爲“中國動力電池發展歷程、技術進展與前景展望”的演講。

中國科學院院士、清華大學教授 歐陽明高（更換照片）

以下爲演講實錄：

尊敬的各位領導、各位行業同仁，大家上午好！

今天我來做一個關於動力電池方面的報告，首先介紹一下，我們從2001-2021這二十年主要從事新能源汽車方面的研發，現在新能源汽車迄今爲止實際解決的是動力電動化問題，動力電動化當然可以實現節能減排，但這樣還不夠，我們發展新能源汽車的初心是能源安全、是環保考量，發展到今天，面臨如何再深入研究的問題，那麼就需要能源綠色化，所以我們認爲新能源汽車是上－中一下三場，我們一般提上半場電動化、下半場智能化，其實還有一個就是綠色化，如果我們沒有綠色化，我們還不能叫作100%的新能源汽車。因此，我們發展新能源汽車的根還在能源，還在綠色轉型，所以我們現在推進新能源革命。因爲，只有實現新能源革命，才能實現真正的新能源汽車，能源必須用綠電纔有可能是真正的新能源汽車。

那麼，大家就會覺得這個事情好像不是我們汽車界的事，和我們新能源汽車好像沒有什麼太大關係，實際上關係緊密，新能源現在什麼狀態呢？今年8月5日國家能源局發佈上半年風電光伏（清潔能源）發電量佔全國總髮電量比例20%，去年風電光伏佔比是16.8%，這半年提高好幾個百分點。去年全年非化石能源發電量佔全部發電量的36%，今年估計會到40%。

當然，這還有60%是化石能源，其中煤可能有50%多，還有百分之幾的天然氣。去年接近3億千瓦時的清潔能源發電量，今年又漲20%，會超3億，如果後7年每年3個多億，到2030年有多少呢？現在已經過10億了，2030年會達到31億到35億，如果35億的風電光伏發電量大概4.5萬億度，我們按照2030年發電13萬億計算，當年也會達到35%。如果再加上水電、核電等等，就會達到55%以上。也就是說，2030年新能源會佔主導地位，這個不是很長遠的事。我相信，2030年比我說的這個數可能還會更高。

所以，新能源不是問題，發展得已經完備，現在關鍵是電網消納不了了。這個怎麼辦？要靠我們新能源汽車，怎麼靠？第一就是電池，大家知道我們現在的新型儲能96%是電池，所以電池不僅僅是新能源汽車，也是新能源消納主要儲能方式。

那麼，將來如果新能源越來越多，現在的電池放電最長10個小時，再長了就不行了。更長怎麼辦？靠氫能。我們這麼多年氫能燃料電池汽車的發展，實際上氫燃料電池汽車消納的能源只能佔到氫能的不到20%，那麼就是氫儲能，將來的煤電廠要用氫代替。所以長週期靠氫能，中週期10個小時靠電池、電化學儲能電站，還有短週期靠什麼呢？靠車網互動，那就是智慧能源系統。

所以，我們新能源的發展都跟新能源汽車有關，它的長週期儲能——氫能，中週期儲能——電化學電站，短週期儲能——車網互動，把我們所有的車都變成儲能裝置，形成虛擬電廠，車能路雲一體化，這個事不會很遙遠，2030年就會爆發。

我今天就講一下其中的電池部分，不光是爲了汽車，也是爲了儲能。

首先中國動力電池的發展。我們這麼多年來新能源汽車爲什麼會爆發式增長？主要取決於鋰離子電池的技術突破，我們回顧一下歷程，我們動力電池2000—2030年是一個完整的技術週期，第一個十年，動力化開始落地，主要遇到的問題是安全，安全問題直到今天還沒有徹底解決，我是2010年由於燒車才進入的電池研究，所以成立了電池安全研究實驗室。第二個十年人工智能革命和智能電池，就是電池的全生命週期智能化，降本提效。2020年開始進入第三個十年，到2030年重點就是材料體系創新，就是固態電池。

三個電池三個十年，研究的重點分別是安全電池、智能電池、固態電池，下面分別介紹這三個方面。

首先電動電車的應用引出的安全電池問題。電池安全首先面臨的就是熱失控，所謂熱失控就是各種誘因引發溫度上升，溫度上到一定的程度，溫度每秒鐘可以上升一千度，溫度控制不住了，這個叫作熱失控。一個電池熱失控之後，再在電池包裡面傳播蔓延，最後導致燃燒事故，就是這樣的過程。

我們研究就需要從材料、原子的角度，比如說同步輻射光源大科學裝置；而後從熱的角度研究，揭示熱失控過程的機理；然後再研究電池單體熱失控與抑制技術，比如說正極材料的包覆，高安全隔膜等等。

我重點講一下電解液，電解液爲什麼會有熱失控，一個很核心的原因就是正極材料失氧，氧氣和電解液中間的EC發生反應。我們的研究是把EC去掉，叫作EC-Free，再進一步做聚合，把電解液聚合形成一個聚合的網絡，把裡面包起來，這樣就可以抑制熱失控，這種固液混合或者半固態，我們叫高安全電池，我們通過這個辦法把安全過關，所以這個就是第一步。

第二步是抑制蔓延，蔓延有一個很重要的原因是之前沒有發現的，就是“顆粒物誘導擊穿電弧”，一般電弧空氣電離是要很高的電壓，但是在我們這種電池情況下，出來了顆粒這個是很重要的發現，所以必須把這個問題解決，基於這個總結提出了電池系統熱失控的順序蔓延、亂序蔓延和同步蔓延三種特徵模式。

在此基礎上可以進行仿真，我們用氣-固兩相流模型對熱失控後過程進行精準模擬，進而指導熱管理系統的優化設計。爲了抑制蔓延，原先主要做隔熱，但是會影響電池比能下降，現在我們提出隔熱+冷卻方法，可調節熱流，實現了對高能量密度電池組熱蔓延抑制。除了隔熱還要加上吸熱，可以把這個問題解決。工信部5月份頒發新的電池安全要求就是要完全杜絕燃燒，在300瓦時/公斤以內，目前的技術是完全可以做到的，主要是靠熱方面的加大冷卻、煙氣分離、避免絕緣被破壞引起電火花等實現，比如寧德時代做的麒麟電池其實就是把這些技術都集成在系統上了，所以它300瓦時/公斤、系統比能量255瓦時/公斤都可以做到，一千公里的電動汽車都可以不燃燒，不需要固液混合就可以做到。

第二個問題，就是人工智能革命與智能電池。動力電池需要智能化的電池管理，全生命週期智能化提速降本；另外，儲能電池越做越大，現在達到了600Ah，一個電池兩公斤，電池數目減少，就把比能量做上去，但是這樣做上去安全、壽命、異質性風險全都加大了，所以按照傳統的辦法這個不行的。所以，我們就需要往電池裡面加芯片。現在往儲能電池裡面植入芯片、傳感器，全時監控，所以這個就是發展智能電池的兩個背景。

首先是電池仿真與設計智能化。之前是試錯法，後來叫仿真化，現在電池智能設計（BDA），電池智能設計技術可將電池研發效率提升1～2個數量級，節省研發費用70%~80%。主要是靠仿真技術和高效智能的循優算法實現。

在智能仿真方面，我們現在的數字實驗室融合多尺度表徵－計算－分析－設計－發展技術，整合電池測試、優化設計和AI建模方法，形成新材料、新設備和新系統的閉環研發系統。電池設計軟件工具鏈，覆蓋虛擬建模、短/長期性能仿真、型號自動設計，這個叫作人工智能，圖像處理完直接進仿真軟件，仿真軟件直接預測，預測性能好方案選出來快速原型，所以整個鏈條都是智能化的。國內像寧德時代已經開始做了。

另外一個是電池智能製造，在智能裝備方面，現在開始疊片電池了，比如深圳吉陽科技，現在已經可以做到每分鐘疊600片，那麼這個疊片節拍也是全球第一的。在電池製造工藝方面，工藝的前段、中段、後段工藝都要進行智能化，尤其是產線大數據，比如說分容是非常費勁的，費時、費空間，現在通過智能預測可以把分容減少一半，可節約45%分容時間、電費、設備、場地，所以產線大數據也可以使得這個缺陷電池不要流入產品中間去。

在電池智能管理方面，我們之前叫作BMS，電池管理系統那是初級的，現在智能電池管理系統，最核心的就是用大模型，大模型電池監控。安全監控、狀態估計都用大模型，那麼這個已經落地的很多，北京深科能源建立了全球第一個電池大模型，做電池安全監控。

在電池智能化方面，電池智能化有很多方面，我只講一個，電池智能化最難的是想知道電位，電位很重要，比如說快充，負極電位太低了，必須再加一個電極，就是第三個電極。我們電池管理把整個電池分成了兩個半電池管理，這樣更深入電池內部，但是這件事很難的，現在的隔膜變成傳感器，這種智能隔膜，我們探索了很久，開發了智能膜電極（隔膜－參比電極一體化方案），基於長壽命活性材料和多孔薄膜基底，智能隔膜有望實現全生命週期負極電位監測，已經可以做到六千個小時，已經可以實用化了。這個已經植入到現在的電池裡面了，已和多家廠家合作，換成有芯片的，配套無線BMS使用。

第三個問題是固態電池。我認爲分三步，首先重點攻關固態電解質，第二步重點攻關高容量複合負極，第三步重點攻關高容量複合正極。

首先是固態電解質。2025年以200Wh/kg和400Wh/L爲目標，打通全固態電池技術鏈，三元和石墨正負極基本不變，確立主體電解質；2030年以300Wh/kg和600Wh/L爲目標，特種商用車應用爲主要場景，三元和硅碳正負極，優化固態電解質體系（主體電解質+補充電解質），實現在電池層面大於4C的倍率性能和5000的循環壽命。

經過現在的發展，固態電解質的主流方向還是硫化物固體電解質，現在硫化物電解質本身的問題大部分解決，包括工藝、安全。但不是說固態電解質電池就安全了，不是所有的固態電解質都安全，重點在研究固－固反應，這種反應可以比氣－固反應的安全性能提升一倍，可以說，三元電池安全性提升到磷酸鐵鋰電池這個完全可以做到的。

第二步就攻關複合負極。2030年以400Wh/kg和800Wh/L爲目標，高性能乘用車應用爲主要場景，進一步發展高比容量高硅基負極，實現在電池層面大於3C的倍率性能和1500的循環壽命；

2035年以500Wh/kg和1000Wh/L爲目標，進一步發展高比容量鋰金屬負極（鋰金屬載體或功能層）。

現在整個電池行業最核心的技術變革就是硅碳負極，這個不光是全國在用，也是整個鋰離子電池行業、手機行業首先採用了。但是硅負極膨脹太厲害了，我們要解決這個問題，因此我們創新地提出了一步法制備硅碳負極技術，該技術具有低成本、低能耗和低碳化等優點，硅碳負極材料可達到高比容量、長循環壽命和高首次庫倫效率的目標。

硅基負極現在國內兩條技術路線，大部分技術路線都是由美國主導的硅烷氣，在多孔炭上化學器上成集，現在國內大多在學這個。我們採用另外一個技術路線，採用高鋰離子導率、低電子導率的材料作爲界面修飾材料，提高硅碳負極材料和硫化物電解質的界面穩定性，實現硅碳負極材料優異的循環性能。我們這個技術路線現在可以穩定性更好，容量相當，同時成本大幅下降。

第三步是複合正極。2035年以500Wh/kg和1000Wh/L爲目標，進一步發展高電壓高比容量富鋰正極；2040年以700Wh/kg爲目標，發展鋰硫和鋰空氣電池。

正極現在聽說有700瓦時以上的電池，我認爲至少汽車是不能使用的，現在還不可能。我們最後的正極可能是往鋰-硫電池、鋰-空氣電池這樣的方向去提升，用在我們轎車上每公斤700瓦時，我個人認爲如果大規模生產的話，這個需要十年的努力，2024年由我牽頭成立的中國全固態電池產業協同創新平臺，正在推動整個行業的創新。

最後我做一下前景展望。首先，鋰離子動力電池技術變革進程會長期持續，但是對於中國來講，高比能全固態電池與低成本、長壽命鋰離子電池對中國動力電池產業同等重要，要雙輪驅動。

其次，節能減排。從電池回收再生方面看，物理回收減排超過50%；溼法回收減排32%；火法回收減排3.5%。此外，這裡有一個如果按照中國2050年計劃，排放需減少75%，要做到這一點，那就是發展綠電，用綠電實現零排放。2030年電力結構背景下碳排放降低12%；2050年電網深度脫碳背景下碳排放降低75%；100%綠電結合電能替代化石過程燃料，可以實現電池生產製造全生命週期近零排放。

最後，我們爲了要用綠電，動力電池產業向可再生能源豐富的西部地區轉移將是中國電池產業發展的重要選擇。在汽車製造領域，從製造用能方面，可通過將動力電池產能從可再生能源資源缺乏的東南沿海地區轉向可再生能源資源較豐富的西北地區，或通過分佈式太陽能、風能等形式來促進製造端減排；在製造用材方面，則可通過利用碳纖維材料等方式，促進汽車的輕量化，降低汽車用能，從而促進碳減排，增加碳匯。

以上是我今天主要彙報內容，謝謝各位！