【电池中国网11月16日 上海讯】11月16日，在第十届动力电池应用国际峰会(CBIS2025)开幕式上，福州大学材料科学与工程学院院长，加拿大皇家科学院院士张久俊作题为“新能源存储和转换中的前沿电池发展”的主旨发言。

　　以下为现场速记：

　　尊敬的各位同仁大家上午好!

　　非常荣幸能够受邀参加国内这么重要的电池方面的会议，今天想和大家分享下能源存储和转换中前沿热点——电化学能源技术的研发进展，刚才听了孙院士的报告，他讲得非常深入，由浅入深，讲得非常好。我也向他学习，争取讲得好一些。

　　首先介绍下福州大学成立的新能源材料与工程研究院(学术研究院)，由福建省政府大力支持，目前有五个中心，我们购置了一系列的原位设备，对电池材料、电解质等做深入研究，因为我们毕竟是大学，要培养人才，尤其是硕士研究生、博士生，很重要的指标是要发高水平的文章，高水平文章就离不开计算和原位测试。

　　这是我们团队，目前有120多人，包括硕士生、博士生，我们的老师。我今天给大家汇报我们团队的工作，主要是他们做，在这里也感谢他们。

　　报告分几个部分，首先我们讲讲化石能源、新能源发展的趋势，刚才孙院士已经讲的非常多，我就快速过一下。我们可以把能源分为两部分，一是化石能源，二是可再生能源，可再生能源是目前要发展的重点领域，因为这牵扯到人类发展的可持续性。

　　实际上我们提出发展新能源，已经有七八十年的历程，当然到目前为止在全世界范围内，可持续的能源实际上只占所有能源的16%，其中84%还是碳、石油、天然气等等，包括核能，目前80%还都是用这种能源。

　　所以现在16%还不够，现在在大力发展新能源，问一个问题，为什么发展这么多年还没有达到我们需要的(占比)，新能源占总体能源的一大部分就是因为存在着挑战，有四个主要的挑战：

　　第一，可靠性不足。太阳能、风能是与气候有关的。

　　第二，运输和分配困难。

　　第三，并网困难。太阳能、风能产生的电能往大电网里并还是相对比较困难。

　　第四，成本较高，投资多，见效不快。

　　这是四个主要的挑战，使得我们现在新能源发展慢，当然现在在加速。为了解决这些问题，要发展高性价比的、可靠、便利的清洁能源，存储与转化的技术非常重要、也非常有必要。

　　刚刚讲到能源存储，现在发展新能源必须要发展能源存储，实验室刚才讲了氢能的存储。这里面主要有几种，一个是电化学的方法，包括制氢，包括电池等等，这都是储能技术。第二是飞轮，空气压缩、水电磁性超导体都可以用作储能。今天主要给大家讲一下电化学的方法，尤其是电池的方法。

　　我们看一下电化学的技术，回顾一下什么是电化学技术，这里列出了十几种。包括常用的钠离子、锂离子、燃料电池，以及制氢，锂硫电池等，都是电化学技术，目前电化学技术被认为是最可行、且最有效的存储转换清洁能源的方式之一。

　　怎样衡量一个电化学的装置，无论手机里的电池，汽车里的电池，还是制氢等这些设备，怎样来衡量，有五个主要的标准。

　　第一，能量密度，牵扯到续航里程，越高越好。

　　第二，功率密度，这牵扯到充放电的时间，需要多长时间充满，需要多长时间放完，就是这样一个概念。

　　第三，循环寿命，当然循环次数越高越好，比如现在锂电池最靠谱的可以达到2000、3000次，这样就能够满足新能源汽车的发展。

　　第四，价格越便宜越好。

　　第五，安全性。尤其新能源汽车的锂电池的安全性，尽管近几年提高的非常快，但是还是存在一定的风险，在这方面都在大力攻关。

　　这是根据能量密度、功率密度、寿命和价格列的典型的电池，我们看不同的电池有不同的性能，不同的性能就可以用在不同的场所，可以根据应用的场所来选择不同的电池。我们可以看到电化学电池有很宽广的应用范围，比如运载装备、能源存储、电子通讯、国防航天等。

　　下面讲一下几个目前发展的前沿电池，以及我们自己所做的工作。

　　第一，固态锂电池的发展。为什么要选择锂电池?因为锂电池有很高的能量密度，这样就适宜于在汽车中使用，所以这是用在新能源汽车最重要的根据，它的能量密度高，可以从100Wh/kg到350Wh/kg，并且有很高的功率密度，这就是锂电池。锂电池的材料上半部分正极材料，下半部分是负极材料。正极材料比较常用的是磷酸铁锂以及三元，负极材料主要是石墨，但是为了进一步地提高能量密度，正极也在发展，负极发展硅碳材料以及锂金属材料。

　　我们看看发展固态电池，为什么要发展固态电池?液态电池做得非常成熟了，为什么还要进一步发展固态电池?因为理论上有那么几个重要的优点。

　　第一，安全性高，它是固态电解质，所以我们想象它的安全性应该高。

　　第二，能量密度高，电解液的电化学窗口比较大，比较宽，所以它能提高能量密度。

　　第三，热稳定性好，牵扯到温度的范围更广，结构紧凑。

　　这几个优点是我们现在要发展全固态锂电池的原因，但这几个优点是我们想象的，存在的挑战主要是三个。

　　第一，固态电解质离子电导率一般都是比较低。

　　第二，比较贵。

　　第三，电解质界面的问题，这是一个非常令人头疼的问题，相当于是攻关的重点方向。

　　需要锂电池能够达到10个标准，但是实际上达不到。我们现在研发的两个重要方面：第一，能源密度;第二，安全性。

　　对于下一步的无人机、低空经济、机器人等都需要高能量密度的电池，但是同时又要有安全性，所以这是两个最重要的指标。

　　说一下目前的状态，目前锂电池的状态靠谱的大约是300Wh/kg的水平，宣传350Wh/kg、400Wh/kg是实验室做的比较多，能用估计是在300Wh/kg，比较保守的说一下。到2030年要达到500Wh/kg这样的能量密度水平，才能在无人机、机器人等方面应用。

　　实际上高能量密度全固态电池，现在主要做的研发最多的几个方面，一个是电解质，一个是界面。电解质目前有四种，一个是氧化物，一个是硫化物，一个是高聚物，还有一个是最近几年发展比较快的氯化物。最近在Natural和Science都发表了几篇文章。

　　这是我们团队的工作，我们集中在固态电解质的方面，来提高锂离子传导的速度以及分析它的机理。比如说金属有机框架引入到聚合物电解质中产生了快速的离子通道，由于时间关系就不展开了。还有发展树干结构的柔性复合固态电解质，这种固态电解只可以使离子的导电率大约是在1.1左右，有较高的牵引数和较稳定的电化学窗口。

　　还有发明了三明治的电解质结构，电解质在正极和负极这两个界面上进行涂层，这样就提高了界面的稳定性。另外发明了一种外硬内软的固态电解质，充进去的时候，是液态。但是通了电之后，就变成固态。这样就提高界面-界面的稳定性，以及提高它的离子导电率，这是我们的工作。

　　第二个想给大家汇报的是锂硫电池，大家肯定比较熟悉这个电池，为什么要发展锂硫电池，就是因为它有很高的能量密度。比如说硫负极的能量密度理论上可以达到2760Wh/kg，即使装成电池，理论上也能够达到上千Wh/kg，有大力发展的潜力。根据我们做的工作以及天津大学等单位做的结果，目前锂硫电池已经在产业化的前沿，电堆在飞机上也可以跑，是这样的结果，因为它的能量密度高。

　　我们要想达到500Wh/kg的水平，我认为只有三种电池要发展。

　　第一种，锂金属的电池。

　　第二种，锂硫电池。

　　第三种，锂空气电池。

　　但是这三种电池里面我个人觉得目前最接近产业化的就是锂硫电池，我想给大家分享一下锂硫电池，锂硫电池的结构实际上和锂电池是一样的，只不过正极、负极、电解质是不同的材料。当然这里面存在几个问题，实际上我们正在攻关，有的攻关已经取得了长足的进步。首先硫导电率要低，第二个是体积膨胀，第三个是穿梭效应。因为硫的还原反应不专一，产生多具硫化物，转到负极上，使得电机的性能下降。还有安全性，主要是这四个方面。我们在这四个方面，比如说在硫正极、隔膜电解质、负极都要下功夫，都在进行攻关。

　　这是我们团队做的锂硫电池的正极材料，这是在上海大学的团队做的工作。主要是在锂正极上掺杂，当然掺杂不是简单的掺杂，而是通过化学的方法与其他的方法进行掺杂，这样能够使得反应具有单一性，控制穿梭效应，提高性能。我们还做了这样一个正极材料，硫粒子外面包裹一层导电的膏剂物，外面涂一层氧化石墨烯，这个有很好的性能。然后在负极上面采取保护，与聚合物的保护层，包括无机物的保护层。

　　第三个大的前沿电池讲一下钠电池的发展，为什么要发展钠电池?因为钠电池的结构和锂电池差不多，其实现在的锂电池的生产线可用于发展钠电池。主要是资源优势明显非常明显。刚才孙院士也讲了中国的锂只占全球的7%，实际上用的锂占全球锂的总量70%，这里面面临卡脖子的问题。另外锂资源非常少，但是钠元素资源丰富，所以它的优势非常明显。低温性能比较突出，我们知道锂电池在零下负20度以后，基本上容量下降很多，但是钠离子电池还拥有90%以上的放电效率。

　　钠离子的正极材料目前主要有三种。

　　第一种，过渡金属氧化物。

　　第二种，聚阴离子化合物。

　　第三种，普鲁士蓝。

　　负极主要是插入型的、转换型的、合金以及有机材料。

　　这是上海大学能源研究院赵教授团队的工作，我们从三个主要的方面来研究提高钠离子电池的性能。第一，电机电解液界面的调控，主要是纳米尺度的。第二，短程有序的结构调整，是介观尺度的，第三个是原子尺度的，电荷与自旋调控。我们发展层状氧化物的正极材料，只要是在相上进行调控，达到好的性能。

　　在电化学性能方面我们能够达到在负40度的情况下，180圈还有76%的保持率，我们继续把它的装成电池，能量密度也可以达到202Wh/kg，常温的倍率性能可以达到20个C，功率密度可以达到7.75kg/公斤。

　　在负极方面我们主要是发展硬碳负极，提高硬碳负极的倍率以及低温性能，这方面我们做了很多工作。

　　第四个是前沿电池技术，氢能质子交换膜燃料电池，刚才孙院士已经讲的很透彻了，所以我就快速地给大家过一下。燃料电池很多种，实际上现在用的最多的是在新能源汽车里用的质子交换膜燃料电池，因为它用氢能作为燃料的零排放，能量密度也很高，我们知道在元素周期表里最上面的那个就是氢，第二个才是锂，要用氢能燃料电池的话，它的能量密度很高。

　　它的反应刚才孙院士已经讲的很清楚了，就是氢气加氧气生成水的过程，是零排放。我们看看有几个主要的核心技术：

　　一是催化剂，我们从这个图里可以看到绿色就是可以产业化的，主要是铂催化剂，铂催化剂我们知道它稀少还贵，我们目前要发展低铂催化剂，和非铂催化剂，孙院士他们目前在厦门大学就代表了世界上最高水平(非铂催化剂)。

　　二是质子交换膜，这个目前主要是在磺酸膜，我们目前在做高温的质子交换膜。

　　三是膜电极，它是一个非常复杂的结构，七层结构，这个国内目前可以生产。

　　四是双基板，我们目前已经可以做。

　　五是高压空气泵，这也是一个核心技术。

　　燃料电池至少发展了一百年，为什么到现在还没有大规模地产业化，像锂电池汽车一样，燃料电池的汽车还没有大规模推广以及产业化，就存在着几个挑战。总体挑战：

　　第一，燃料电池耐久性应用在汽车里的动态操作的情况下，它的温度、压力、电压、电流都在变，这样对电堆会产生一定的影响，这是科学技术上的挑战。

　　第二，燃料电池堆的各个部件都比较贵，这就是经济上的挑战，加氢设施普及程度比较低。你有燃料电池汽车但没有地方加氢，这是一个大问题，不像锂电池的汽车有充电站，现在也逐步在推广，油车有加油站，大规模氢产业化还要大力发展。

　　这是我们团队做的工作，我们从燃料制氢、储氢、运氢以及用氢四个环节都做了一些，主要还是在燃料电池方面做得多，我们最近也在做电解水，但是燃料电池方面我们做的催化剂也比较多，发展各种各样的催化剂。

　　这是我们发展的催化剂，支持在金属氧化物上的催化剂，这个催化剂性能非常好，为什么好，我们就使用了同步辐射，以及大数据的计算，发现催化剂粒子与质子体之间的相互作用非常强，并且使催化剂性能好以及稳定性比较好。

　　我们另外发展高温质子交换膜燃料电池，这是我们的PPM膜以及性能，目前性能在非常低的铂催化剂的情况下，可以达到将近两瓦/平方厘米的水平。这是我们在这方面的建设。

　　我们目前正在进行气体扩散层，燃料电池里最重要的部件之一就是气体扩散层，我们的气体催化层的黑点比起我们买的性能要好，现在正在进行产业化。

　　第五个是我们现在正在做的水系电池，我们集中在水系的锌硫电池，一是水系就非常安全，二是锌和硫都比较便宜，所以这有很大的一个优势，并且理论能量密度非常高。比如可以达到1675毫安时/克的高容量。目前我们选择发展它的电解质，发展有机水混合溶液的电解液，这个文章目前已经在nature子刊上发表，大家有兴趣可以去看看。

　　这在电解液的调控进行了一系列的工作，我们提出了硫还原反应的机理，来增加电解液，可以增加硫反应的选择性，减少穿梭效应。我们目前做的电池能够达到将近300Wh/kg的水平，在两天循环的情况下可以循环一千圈，衰减率只是0.034%的水平。

　　我们另外做的一个工作，目前一个中心正在做人工智能机器学习来筛选电池材料以及电解质材料，目前建立了一个数据，包括两万多个电解液的电解质溶液的大数据库，利用这个数据库来训练机器，进行机器学习，这是我们发展的镁电池，我们用镁电池来作为一个例证来做人工智能方面的工作。

　　当然这个工作主要是基于数学上的大计算还有分子轨道理论等等一系列理论上的工作，我们刘教授带领团队在做这个工作，我目前也在不断地学习这方面的工作。

　　总结下今天给大家汇报的内容，化石能源肯定是不可持续的，所以我们要大力发展新能源，在新能源汽车方面还是要发展，不能满足于锂电池，锂液态电池，我们还要进一步发展下一代电池，进一步提高能量密度，进一步提高安全性。在这方面我们就要在能量密度、功率密度、寿命、安全性上下功夫，这里面主要是电极材料以及电解液材料，这是两个最重要的方面。

　　在这过程中我们要使用现代化的手段，比如说人工智能、机器学习、大计算、原位测试等等来理清整个反应的机理，进一步发展新材料。

　　最后我想给大家提出一个我个人的思考，这个图上的纵坐标是能量密度，横坐标是功率密度，实际上我们现在用的内燃机是最上面的，现在所有的电池没有发展到内燃机的水平，因为现在能够用的无人机都用的是汽油机，内燃机的能量密度是最高的。我们现在努力的方向就是朝着内燃机能量密度前进，能够比较接近的能量密度的几个电池，我个人觉得燃料电池有可能，全固态锂电池、锂硫电池、金属空气电池可能比较接近。所以这个过程我们就要发展前沿电池，用现在的液态锂电池可能希望不大，肯定达不到那一步。

　　要发展这些电池，我们目前发展的固态电池，我们想象更高的能量密度、更高的安全性，但是目前据我个人观察，也许不对，还没有真正地证明固态电池比液态锂电池有更高的能量密度，更安全性。这需要我们业内同行进一步工作，进一步做固态电池，争取真正证实固态电池确实比液态电池有更高的能量密度、更高的安全性。这是需要我们做大量的工作。假如不能证明这一点，那我们发展固态电池是干什么用，这是一个很大的问题。

　　谢谢大家!

　　(以上为演讲速记，未经演讲者审阅。)