论坛回顾丨孙世刚院士：电化学能源的挑战和新一轮创新发展机遇

10月19日，在“2021（第十六届）动力锂电池技术及产业发展国际论坛”上，中国科学院院士孙世刚作题为《电化学能源的挑战和新一轮创新发展机遇》的演讲。

#1

电化学能源是碳达峰碳中和的重要支撑

人类发展过程中的几次工业革命都与能源息息相关，第一次工业革命是煤，第二次工业革命是石油，第三次是原子（核）能，现在大家谈到的第四次工业革命是以可再生能源为代表。而能源问题是人类未来50年发展面临的重大挑战之一。

我国能源结构是煤多、油少、气少。我国煤储量1145亿吨，位居世界第三，而世界第一的美国为2273亿吨，但我们的人口是他们的好几倍。我国是能源消费大国，2010年超过美国，成为世界最大的能源消费国。2019年，石油消费量6.96亿吨、产量1.91亿吨，进口5.05亿吨，对外依存度高达72%，解决我国能源安全问题刻不容缓。此外，我国环境污染问题严重，面临很大的挑战。

世界各个国家都把能源列为优先发展战略，美国。加拿大、欧盟、德国、南非、澳大利亚、俄罗斯、中国，都制定了能源相关的行动计划，来推进能源发展。

我们国家，习近平总书记在2014年6月13日的中央财经领导小组会议上的讲话，明确将能源消费、供给、技术和体制的改革提高到了"革命"的高度。

习近平主席在2020年9月22日召开的75届联合国大会上表示："中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。"

碳达峰与碳中和将倒闭快速推进能源革命∶水电、核电、风电、太阳能、生物质能、地热以及储能技术、新能源汽车等技术领域和综合能源服务，进一步发展智能电网、微电网、虚拟电厂等新业态。电化学能源是碳达峰碳中和的重要支撑。

国务院2020年12月发布的《新时代中国能源发展》白皮书显示：中国把非化石能源放在能源发展优先位置，大力推进低碳能源替代高碳能源、可再生能源将替代化石能源。

电力是非常重要的二次能源，我国煤炭发电目前仍占据60%以上。根据国家发展改革委员会能源研究所预测，2050年中国非化石能源发电量占比将高达91%，风光等可再生能源需要大规模电化学储能配套。

电化学能源是高效、清洁、方便灵活、应用广泛的二次能源。它包括几种方式，能量转换即将化学能转化为电能，例如燃料电池就是一个化学发电机；能量存储，电能转化为能源分子储存起来，比如通过水电解产生氢气，把能量存储到分子；能量转化和储存，电能转化为化学能，用的时候把化学能释放出来转换成电能，例如电池、超级电容器。它最大的特点是直接把化学能转化成电能或者把电能转化成化学能，效率高、无污染、方便灵活、可大可小、少维护、长寿命。

电化学能源是国际科学重要前沿。锂离子电池诞生于上世纪70年代，90年代实现商品化应用。2019年，三位科学家获得诺比尔化学奖。今年4月份，Science期刊发布的《125个科学问题》，其中多个问题与电化学能源紧密相关：能量存储的未来是怎样的？我们如何突破当前的能量转换效率极限？如何在微观层面测量界面现象？

电化学能源在多个重大领域发挥重要作用：储能促进可再生能源开发利用，动力电池支撑新能源汽车发展，特种电池在国防、航空航天和深海探测中发挥关键作用，电化学能源在5G/AI、生物医学等领域中不可或缺。

储能电池促进可再生能源开发利用，风光波动性大，不稳定，一定要配套储能，从位于张北的国家风光储输示范工程等大的示范基地来看，至少需要配备10%容量的储能设施。预计到2050年，对电化学储能的需求将达到300GW的规模，相当于12个三峡电站。

另外一个是新能源汽车，这里有一个重要的问题，2020年我国石油对外依存度高达72.7%,而70%是一个国家的安全底线.近年来，我们国家花费了很大的精力拓展能源。我们发展新能源汽车不仅仅减少油的依赖，还减少二氧化碳排放，促进双碳目标达成。

从2015年起，我国新能源汽车保有量连续6年居世界首位，2020年底达到517万辆，占我国汽车总量的1.75%，也就是实际上量还是比较少的。到2035年，保有量将增长到1亿辆，占汽车总量30%以上。

世界上一些发达国家已经宣布了停售燃油车的时间，如挪威、荷兰、德国等，我国海南省以省政府行为宣布2030年停售燃油车，这个目标和双碳目标相关， 对发展新能源汽车也有很大的推动。

#2

我国电化学能源的现状

我国生产销售和消费规模位居世界第一。2020年全球动力电池企业10强，中国占6席，占45%的市场份额。但仍旧存在一些瓶颈问题，比如与国外先进水平相比仍旧存在较大差距，缺乏我国原创性的电化学能源体系，主要核心技术掌握在日韩企业手中，高性能产品依赖进口。

燃料电池方面，近年来，我国依赖高强度投资，在燃料电池组装和加氢站建设方面逐渐缩小了与国外的差距，按照欧阳明高院士的说法，我国氢燃料电池开始进入产业导入期。但是存在的瓶颈问题如缺乏关键核心技术，催化剂、质子交换膜、氢循环泵等关键材料被卡脖子，几乎完全依赖进口。

超级电容器方面，军工领域，对高功率提出了新的需求，要求武器系统的机动性、隐蔽性、可靠性更强。中车生产的与国外的先进产品比较，性能是相当的。军科委提出"双100"电容器"“覆性技术"的需求。故我国超级电容器基本解决军工需求，但民用产业亟待发展。存在瓶颈问题∶高性能、低成本电容活性炭制备技术；高电压、高电导率、高安全性电解液等。

此外，之前2018年我在厦门参加基金委“电化学能源”双清论坛时候，梳理了很多各个方面的技术。如二次电池的高性能、高稳定性金属负极、正极材料和固态电解质等；燃料电池：高性能长寿命的催化剂批量制备技术等；超级电容器：高性能、低成本电容活性炭制备技术等。

除了应用方面，电化学能源体系本身的复杂性与挑战。例如液流电池，本身有一个很复杂的体系，包括三相界面；四类通道，涉及到多学科交叉问题如化学、物理、电化学热物理等。问题是缺乏界面上电化学反应与能质传递的本构关系，挑战是构建反映电池本质规律的完整理论。

二次电池，目前还是依据Newman模型来做设计，难点是缺乏理论框架，需要超越“准二维模型”，完善多孔电极理论，关键参数的表征缺乏有效方法，模型验证较为困难，所以我们需要涉及多学科如化学、工程、物理、材料和产学研协同合作。

燃料电池可视为一个小型“化工厂”，涉及到从纳米到微米到更大尺度的多尺度、多相界面、多通道传输、多场耦合，涉及到四类传输通道，需要化学、材料、精密制造、电子工程、物理等多学科交叉合作。

传统电化学基础理论面临挑战：

基本特征：空间分离、过程分离、半无限边界

理论基本框架：平行发展、（相对）独立的理论分支

简单耦合：表、界面过程或性质作为传输过程的电界条件。

传统电化学基础理论面临新发展：

新型电化学能源体系特征：

材料和器件尺度大幅降低：各种特征空间尺度差异缩小，

大电流（大功率）下的高度非稳态：空间、时间尺度接近

电荷（电子/离子）转移与传输融合一体化

新型电化学界面：超浓电解质、固/固等多相界面、半无限边界消失

传统电化学体系中表界面反应和传输过程相对独立、简单耦合；亟需发展新型电化学体系复杂的界面反应、传输等过程高度动态耦合的理论

#3

电化学能源的新挑战：三高一长

当今社会对电化学能源的需求发生革命性的变化，比如3C电池，体积受限于电池，芯片可以做的任意小，但是电池体积不是，因此，电池能量密度不足限制了设备进一步升级；此外还有对动力电池、储能电池、特种电池等要求，国家能源战略、国防安全对电池提出更高的需求，总结为三高一长：高能量密度、高功率密度、高安全性、长循环寿命。

实现“三高一长”面临巨大挑战，例如说根据现在的电池能量密度，电动车54L电池，大概可以跑260km，而燃油车54L汽油，可以跑700km。因此需要提升能量密度，来提升续航里程，但是同时需要考虑功率密度和安全性，面临性能指标顾此失彼、相互制约的困境。超级电容器功率密度高，但是能量密度低；锂离子电池、燃料电池相对能量密度高，功率密度低，需要发展新的电化学能源体系。

要实现“三高一长”面临的挑战：

一是复杂电化学能源系统需要全局优化，即需要从动力电池系统到器件、界面、材料到电子结构通盘考虑，传统研究模式往往只针对孤立对象、单一指标进行局部优化，无法解决“三高一长”面临的科学问题。

另外一个挑战，是电化学能源服役工况十分复杂。电动汽车运行中状态转换频繁、随机，电极材料和界面等受到重复冲击，导致性能衰减、寿命缩短、甚至可能发生安全事故。传统研究方法不适用于服役工况情况，亟需发展新的表征方法，研究电化学能源体系在复杂工况下的变化规律。

挑战三：智慧能源互联网对电池性能提出全新要求。在智慧能源互联网中，电动车也可以作为分布式储能系统，光伏发电一天之内呈现周期性变化，白天发电晚上不发电，风电光伏发电一定要通过储能，再集合用户的电动车等去应用。在智慧能源互联网中，电化学能源是动力电池也是储能电池，对电池性能提出了更高的要求，亟需信息、管理科学等统筹协调，保障能源网络的综合利用效率。

挑战四：现有学科组织无法独撑三高一长的需求。现有电化学自身研究队伍和有限的学科交叉，已无法完成未来电化学能源三高一长的需求，需要从顶层设计在更大层面组织多学科的协同交叉。电化学能源迫切需要在组织架构层面上实现多学科参与和协同，方可解决长期未决的重大科学问题，并推动产学研全面发展。

▉我国面临激烈国际竞争和突破技术瓶颈的重大需求。

国际上，加强基础研究、提前布局、抢占制高点

美国∶电池50O（Battery500，2016-）

日本∶创新电池计划2 （Rising2，2018-）

英国∶法拉第电池挑战（Faraday battery challenge，2019-）

欧盟∶电池2030+路线图（Battery 2030+ Roadmap，2020-）

我国∶突碱破技术瓶颈、促进产业发展；科技部十四五重点研发计划专项（储能与智能电网技术、氯能技术、新能源汽车、高端功能与智能材料等）

我国尚未在重大研究计划层面推进电化学能源基础研究，期待我国主导新一代电化学能源的突破。举例来说，英国的法拉第电池挑战目标主要在下一代技术、材料、电池等，我国科技部十四五重点研发计划新能源汽车专项也提到了全固态金属锂电池技术、燃料电池等电池，有明确的性能指标，希望尽快达到指标实现产业化，这个还是有一定差距的。所以说，加强电化学能源基础研究，是我国科技自立自强的急迫需求。

我国的电池产业规模全球最大，但都是沿用国外的科学体系；现有的锂离子电池体系已经不能满足快速发展的需求，亟需研发超越传统体系的电化学能源，适应未来发展，在这方面国家自然科学基金委已前期布局，推进电化学能源基础研究。

#4

电化学能源新一轮创新发展的机遇

2017年我前头成立中国科学院学部“电化学学科发展战略研究”项目，形成的报告结论：

1. 我国电化学规模最大，但是基础研究亟需加强

2. 高端电子制造，比如芯片、封装集成里面的电子电路，芯片里面的、做出很多二极管，这是脑细胞，但是需要通过电化学方式连起来。当时我们汇报时形成了关于推进我国电化学能源创新发展的建议。

基金委在2018年和2020年举办了两次双清论坛，围绕电化学能源进行研讨。进行了三次研讨会，把“新型电化学能源”纳入化学部十四五跨学部交叉的优先领域。这样一个重大计划，应该说是超越传统的。那么，电化学能源如何超越传统体系？

我们从电化学能源的发展来看，从1800年的伏打电堆，到1970年提出镍氢电池，这些所基于的基础原理是金属溶解沉淀/金属氧化物转换机制（燃料电池除外），这样的机制限制它的能量密度、寿命等，在七十年代提出的锂离子电池在1990年实现了商业化，它提出了新的机制，锂离子脱出-嵌入机制，而且提出了新的材料，石墨、层状材料，从基础超越实现了性能大幅跨越。它的能量密度功率密度有了很大提高。三位科学家也因此获得了诺贝尔化学奖，他们的研究超越传统电化学机制、超越传统电极材料和界面、超越传统电池技术。

到现在来看，如今广泛应用的锂离子电池也成为“传统体系”，亟待超越。

▉怎么超越？1.能量密度的超越：逼近电池理论容量；2.机制超越：传统机制→新机制→理论容量5-6倍增加；3.体系综合性能的超越：单一性能→“三高一长”；4. 研究范式的超越：孤立对象→复杂体系，简单模型→复杂工况，局部调整→全局优化，建立多学科协同交叉的组织架构。

▉突破四大挑战。

总体研究思路：通过解决"三高—长"需求的关键科学问题和四大挑战，引领超越传统的电化学能源科学前沿发展；针对复杂系统的全局优化，发展电化学能源体系的复杂工况研究方法，建立新范式；创立超越传统体系的电化学能源高效转化与储存的理论框架， 提出新理论和新机制；解决电化学能源体系构建、器件和系统集成的技术瓶颈， 创建自主知识产权的新体系。

总体研究目标：瞄准电化学能源发展的重大瓶颈问题，建立新的研究范式， 取得超越传统体系的基础研究的全面突破。形成由我国主导的下—代电化学能源核心技术，支撑我国能源战略需求和碳中和战略目标。

为应对“三高一长”的需求所带来的挑战，需解决材料、界面、传输、系统四个层次的关键科学问题。

关键科学问题—∶材料，电化学能源材料构效关系和理性设计；

研究内容∶从电化学能源系统"三高一长"的需求出发，建立电化学能源材料加速研发平台，结合人工智能与自动化技术，实现材料设计、合成、模拟、表征、分析的全流程闭环，深入认识电化学能源材料构效关系，加速电化学能源新材料设计研发。

关键科学问题二∶界面，需要探测电化学能源界面动态结构和过程；

研究内容∶建立工况表征和多尺度模拟新范式，结合大数据分析和机器学习，精准理解界面动态结构和动态变化规律， 推进界面的理性设计和构筑。

关键科学问题三∶传输，电化学能源多尺度、 多场耦合的物质传输和转化机制；

研究内容∶结合介科学、数理、工程、信息等多个学科的先进研究方法，揭示不同尺度下的材料内部和各种界面间的传输、转化与耦合新机制，助力电化学能源器件的集成与高效运行。

关键科学问题四：系统，电化学能源系统服役工况下的变化规律及调控；

研究内容：运用传感检测技术监测系统工况状态和性能，通过大数据、结合人工智能，获取服役工况下的变化规律，并对系统进行实时的自适应，自调整和自修复 ，同时也为智能设计与智能制造提供支撑。

这样一些关键科学问题的解决需要研究范式变革，通过数据驱动和人工智能的研究范式变革，实现三高一长的电化学能源新体系的突破。

我国近些年有一些研究基础，我这里列举了一些我国学者代表研究成果，我想强调的是要实现这些研究，不可少的是借助一些大科学装置，比如说上海科技大学刘志教授他们建立了国际上集成度最高、综合性能最好的软X射线谱学研究平台；

电池材料中子结构研究平台，利用中子对轻元素和磁的敏感性精确研究，电化学能源材料结构变化和缺陷形成机理；红外自由电子激光能源化学研究大型实验装置，可以研究反射吸附、空间分辨、时间分辨实验线站。

▉预期可以有四大突破：

1.超越传统的新材料，奠定新体系的基础

2.超越传统的界面理论，创新能量转化机制

3.超越传统的研究范式，智创电化学能源体系

4.超越传统的新体系，实现三高一长需求通过重大研究计划的实施，集成化学、工材、数理、信息、管理、生物医学等多学科交叉的优势，突破现有体系极限，形成相关基础研究的原创突破，力争建立我国主导的超越传统的电化学能源新体系，推进我国电化学能源技术与产业的发展。

（来源：深圳市电池行业协会，以上内容根据嘉宾发言内容整理，未经嘉宾审核，转载请注明来源）