CIBF2021国际先进电池前沿技术研讨会简明技术总结——汪继强，中国化学与物理电源行业协会高级技术顾问

1、会议基本概况

CIBF2021国际先进电池前沿技术研讨会系由中国化学与物理电源行业协会（CIAPS）主办的中国国际电池技术交流会/展览会（China International Battery Fair，简称CIBF）的组成部分，是电池行业每两年在中国举办一届的国际例会，是国际电池界规模最大的盛会。

由于COVID-19新冠病毒在世界范围内的传播，致使中国化学与物理电源行业协会原定于2020年5月25日～27日举办的“第十四届中国国际电池技术交流会/展览会（CIBF2020）推迟至2021年3月19-21日举办，简称CIBF2021。其中CIBF2021国际先进电池前沿技术研讨会于CIBF2021年3月18-20日在深圳会展中心成功举办，三天会期共安排国内外演讲报告53篇，会议结束前刘兴江主席特别组织了一次“对电池创新技术与市场未来发展”的专题讨论，虽然会议已进入结束阶段，但仍有数百人参加了热烈的讨论。

本次交流会尽管受到疫情影响，但莅临现场参会人数最高达到1200人，说明国内外电池界对这次盛会的支持和高度重视。尽管如此，由于全球COVID-19依然严重，部分国外嘉宾演讲人难于亲自到现场演讲，只得采取视频录制和现场播放的方式进行。鉴于本次会议特别邀请到2019年诺贝尔化学奖三位得奖人之一的美国纽约州立大学教授M.S. Whittingham、世界首位聚合物固体电解质奠基人，目前仍然活跃在欧洲电池前沿技术创新的科学家Michel Armand以及日本著名电化学家、早稻田大学教授Osaka等人的视频演讲，不仅确保了会议的国际性，还进一步提升了本届会议的知名度。

本届技术交流会的主题是：新能源汽车和储能为电池带来巨大市场和持续技术创新发展（Theme: “xEV and Energy Storage” Bring Huge New Market for Batteries & Drive Continued Battery Technology Innovation）。整个会议的交流内容和问答以及讨论，都紧扣了这个当今时代新能源发展命题，由此取得了丰硕的收获，圆满完成了大会的既定使命。

2、CIBF2021国际先进电池前沿技术研讨会技术交流中展现的主要收获：

1）通过对新能源市场逆势上升的靓丽表现的分析，使中国、乃至世界电池行业认识到xEV巨大市场形成越来越近，而作为当今主导该市场的锂离子动力电池技术与产业依然处于持续发展态势。

全球新能源汽车市场加速发展，2020年在疫情严重干扰下，全球汽车市场销量整体下滑，但新能源汽车销量逆势增长43%。由此，显著推动了锂离子电池的产业持续扩展。根据台湾工业技術研究院产业经济与趋势中心吕学隆的分析，2019年全球电池行业销售额达到1037.57亿美元，其中铅酸电池为478.26亿美元、锂离子电池388.49亿美元、镉镍/金属氢化物镍电池21.03亿美元、原电池144.62亿美元、其它蓄电池5.17亿美元。2020年全球铅酸电池略有下降，降至445.56亿美元；而锂离子电池却仍略有上升，升至389.06亿美元。这显然是2020年新能源汽车销量逆势增长43%所推动的。随着新能源汽车与储能市场扩展（预测2030年，全球新能源汽车保有量将达到2.45亿辆），因此可以预计过不了多久，锂离子电池将会变成全球最大的二次电池产业，如图1所示。

图1  全球锂电池出货量（按应用统计）

其中，我国的新能源汽车发展将尤为突出，根据表1《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，到2025年，我国新能源汽车市场竞争力明显提高，新能源汽车新车销量占比达到20%以上。

表1 《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》

（摘自肖成伟/吕学隆等报告）

2）一方面认识到新型电池体系研究与应用取得的新进展，另一方面清醒看到新体系技术突破的难度与产业化尚须不懈努力

本届会议涉及到电池新体系中有三个显著的焦点与亮点，即“高安全、高能量密度全固态电池”、“高比能量锂硫电池”和“低成本潜力、长寿命钠离子电池”研究取得的新进展。

（1）全固态电池已是当今世界新能源科技与产业领域的热点，不仅诸如丰田这些大公司长期坚持研究与技术开发，而且成为初创公司的优选项目，同时各国都有政府支持的研究计划。本届会议上，虽然没有出现新的固体电解质材料突破，但是在利用聚合物固体电解质、硫化物与氧化物无机固体电解质以及无机/聚合物混合型固体电解质（制膜）开发实用性安全、高能量密度电池方面取得许多显著进展，如加拿大魁北克、美国 SEEO采用分子改性的聚醚类聚合物电解质与超薄金属锂箔与表面处理工艺相结合，实现了中试量产级电池水平，60℃和0.33C倍率下的比能量≥220Wh/kg，循环寿命2000次；三星公司开发的Ah级无机硫化物固态电池，在60℃下能够实现900Wh/L高能量密度、1000圈以上长循环寿命以及99.8%极高充放电效率；美国Quantum Scape开发的无负极单层锂金属固态电解质软包电池，其能量密度>400 Wh/Kg，采用固态陶瓷电解质，防止锂枝晶刺穿，1C循环800次容量保持率为80％，快充到80％电量，低于15分钟，可匹配现有制造流程，制造成本降低17％，宣称2025生产规模达到25GWh等。

在我国国内研究与开发更是异常活跃，对此，中电18所刘兴江博士（本届会议主席）做了专题介绍、特别提及诸如电科能源研制的5Ah固态电池达到270Wh/kg、循环900次，10Ah固态锂电池达到380Wh/kg、循环100次，并且正在建设中试线；北京卫蓝＆中科院物理所研制的准固态电池达到270Wh/kg，1500次循环，5C-7C倍率；高比能量型电池达到500Wh/kg，50次循环；清陶能源研制的LLZO陶瓷涂层隔膜量产, 1GWh准固态电池比能量300Wh/kg，1500次循环，支持7C放电。高比能量型达到450Wh/kg，100次循环；赣锋锂业实施2.5亿元投资建（0.3GWh)+2GWh电池生产线，采用了自主掌握的大面积柔性固态膜技术，10Ah准固态电池达到250Wh/kg，1500次循环，最大5C放电。高比能量型达到420Wh/kg，103次循环；中国台湾辉能实现了规模量产的固态电池技术，比能量达到231Wh/kg（550Wh/L），循环≥1500次，创造单颗 85.2 伏高电压与20KWh 大容量的电池模组，1GWh生产线已建成，正在规划2-5GWh等。然而，目前电动车应用的真正称得上是全固态电池的只有法国采用PEO基聚合物固体电解质膜的金属锂/LFP电池，其工作温度为60-80℃，比能量仅100-120Wh/kg（Armand报告）。

对目前宣称即将产业化或应用的其它固态电池技术做出的深入分析初步表明，为改善无机硫化物或氧化物固态电解质与电极交界面连接，不是略加液体电解质，就是采用凝胶态涂层等，预计这种“半固态（Semi solid）”电池可以在2-5年内量产，但其综合性能是否显著超越液态锂离子电池将拭目以待。一般认为“高安全性、高能量密度全固态动力电池技术”也许还要5-10年时间，取得实用化，实现商品化。

此处也引用我们向诺奖获得者Whittingham的提问及其回答如下，供参考。

问：Could you make some comments on all solid batteries for xEV & BESS application: How to solve interface problem of solid electrolyte with electrodes? Which type solid electrolyte is better for practical battery application? Is pure Li to be used in such batteries without Li dendrites growth during charge & discharge? How long it will be for all solid batteries going to market, etc.?

答：今天，固态电池已用于一些专门的电动汽车、公共汽车和电池储能系统。但这些是由法国“Blue Solutions”公司提供的，它们运行在70°C左右，所以不太适合个人汽车。据我所知，没有出现操作问题，在正常使用下也没有锂枝晶问题。这种电池的组成是Li/PEO/LiFePO₄。

下一代固态电池还有尚需5年或更长时间实现规模商业化：全球范围内的大规模开发工作，所以我期望能够找到新的材料

（All solid state batteries are used today for some specialized EVs, buses and BESS. These are made by Blue Solutions in France, but operate at around 70°C, so not really good for personal cars. No operation problems that I am aware of. No dendrite issues today under normal use. Cells are Li/PEO/LiFePO_4。The next generation of solid batteries is still 5 years away for commercialization at scale; large development effort across the globe so I expect new materials to be discovered.）。

（2）高比能量、低成本锂硫电池继续受到关注。

本届会议上日本早稻田大学教授Osaka博士研究团队研制出一个5Ah锂硫电池，比能量可达300Wh/kg。他们发现，硫电极上采用了紫外线交联的磺酸聚合物涂层时，由于离子导电率显著提升，使硫电极在3.8C倍率放电时，达到550mAh/g(S)的比容量；而在0.4C下，高达1100mAh/g(S)。只是该电池的循环寿命依然没有超过300次（比容量降至50%）。看来，要求实用锂硫电池达到高比能量（超过300Wh/kg，甚至400Wh/kg以上，是可行的。但是解决硫在充放电过程通过其放电产物流失，引起循环寿命快速衰减问题，是相当困难的。

（3）钠离子电池在国内取得可喜的创新科技成果，并开始了成果转化进程。

本届会议上由中科院物理所胡勇胜团队介绍了多年来发现了诸多的的钠离子电池正负极材料，其中特别是揭示了Cu ²⁺ /Cu ³⁺ 在含Na 层状氧化物中以及氧在Na _x [Li_1-y Mn_y ]O₂正极中的可逆电化学氧化还原活性，从而奠定了钠离子可逆嵌入电化学反应的科学基础，也为寻找钠离子电池适用的正负极材料提供了科学依据。在此基础上，团队已经展示了其研制的1-12Ah电池所达到的性能水平，其中2Ah电池在2C充放电条件下，容量下降至80%时的循环寿命达到了4869次。该类电池的比能量可达100Wh/kg以上，安全性也基本得到认可等。该团队制造出第一个30kW/100kWh钠离子储能电池组，正在投入实际演示运行。鉴于有了自主创新的专利与技术，加之钠离子电池材料体系的资源丰富，展现了在我国进一步实用化发展的良好前景。

3）锂离子电池正负极材料与关键辅助材料研究与应用新进展

本届会议进一步表明，锂离子电池（液态电解质）在相当长一段时间依然是xEV市场的主导产品，因此无论从产业链角度，或从进一步提升电池性能（尤其是提升比能量、安全性、寿命、环境适应性和不断降低成本考虑，锂离子电极材料与关键辅助材料都是锂离子电池前沿技术领域中最活跃、最易于创新的研究工作。

（1）本届会议涉及提升锂离子电池比能量的相关正极材料（含电池应用）的报告近10余篇，主要针对三个前沿研究方向，即高镍NCM三元材料、高电压NCM三元材料以及富锂锰基层状氧化物材料。高镍NCM中的NCM622、NCM811等已经在电动轿车用锂离子电池中采用，单体电池比能量可以达到250-270Wh/kg。而采用NCM811与硅碳负极相配合，电池比能量可提升至300Wh/kg或以上。其中，宁德时代、天津力神、合肥国轩和中航锂电项目采用高镍三元正极和SiO_x/C负极，采用软包装结构，分别设计制备出比能量达到305.8Wh/kg、302.1Wh/kg、300.4Wh/kg和300Wh/kg锂离子动力电池，为实现300Wh/kg动力电池产业化技术指标和市场应用奠定了坚实基础。比亚迪、孚能、盟固利、捷威、亿纬锂能、冠宇和万向等企业亦开展了300Wh/kg的研发工作（摘自肖成伟报告）。本届会议上远景AESC公司则提出发展“高电压NCM正极材料车用电池的技术路线，认为高电压NCM材料也可以作为当前车载动力电池的一个热门开发方向。提高电压和提高Ni含量乃是提高阴极材料容量的两条主要途径，但高电压NCM在循环/安全/成本等方面均有优势。其挑战则包括表面氧缺陷，晶界缺陷以及正极/电解液界面的反应活性，稳定性等。针对这些问题，通过调节烧结条件，掺杂包覆等可以有效改善正极材料在高电压下的性能。在电池层级，通过电解液的搭配优化，也可以有效改善化学体系在高电压下的表面。另外通过对SOH的预测及数据AIOT化可以有效延长电池寿命。作为原先属日本日产的公司，目前向日产Leaf车提供的电池比能量为460-490Wh/l、230-250Wh/kg的产品；但到2020年已经研制出高电压、快充NCM正极电池，可为客户提供比能量达到600-650Wh/l和280-310Wh/kg的锂离子电池产品。

厦门大学杨勇教授综合大量基础研究的数据，认为“高镍方案”的镍含量高（90%以上）、充电电压区间为4.2-4.35V。该材料对空气不稳定造成合成困难、热稳定性很差、循环寿命一般、但倍率性能较高；“高电压方案”中镍含量低、充电电压区间升至4.6-5V。该材料储存对空气稳定、合成工艺较简单、循环寿命差、热稳定性略差、钴含量高成本高、能量效率下降。因此，在同时可满足提升电池比能量要求下，未来的高镍正极材料将在这两种技术路线之间寻求平衡。他们团队的研究表明，在高镍低钴NCM中实施铝掺杂可以显著抑制电极极化，改善材料的循环性能，包括抑制长循环过程中恒压容量的增加；抑制大电流密度下电极极化的增加；提高锂离子扩散系数和抑制长循环过程中传荷阻抗的增长。

BTR和英国Johnson Matthey作为国际上大型电池负极材料供应商，在本届会议上展示了跻身高镍正极材料产业化的艰难过程，最终取得了骄人的技术成果和赢得了市场一席之地。镍含量分别为0.88、0.91、0.94、0.98的高镍含量NCA/NCM产品，在材料开发过程中，BTR先后通过前驱体结构优化设计、表面修饰和多掺杂以及材料单晶化等技术措施，显著提升了材料的热稳定性和表面反应性，从而显著提升了45℃下的循环寿命和降低了高温储存/循环下的产气，同时稳定了直流电阻。

Johnson Matthey的报告着眼从科学分析出发，分析出材料的各种表征数据及其对电池性能的影响，例如由于高镍NCM材料的粒子开裂损害了电池日历和循环寿命、降低了功率输出以及危及到电池的安全性等。由此建立起一整套科学方法来不断研究和提升其高镍NCM（公司品牌“eLNO”）产品的品质。JM 将其先进的科学方法应用于设计改进材料，亮点诸如：电极材料-电解质优化组合的形成，采用大型多晶和小型单晶的双模混合，可减少粒子开裂并增加电极密度等。

北京大学夏定国教授对富锂锰基高比容量材料进行了多年深入研究，成功研制出比容量超过300mAh/g的新型富锂锰基正极材料，如图2所示。进一步分析表明在这种正极材料的电化学脱锂与嵌锂过程中，氧的可逆氧化还原对可逆比容量有明显贡献。他们提出了一种新的结构反应机制，通过调整氧离子周围的局部对称性，抑制结构中氧的释放，从而显著增强循环稳定性和可忽略不计的电压衰减。图3示出一个富锂正极/硅负极电池的典型充放电曲线。该电池室温0.1C下充放电，2.0-4.6V区间，计算比能量达407Wh/kg；室温下0.5C充放电，循环300次时，容量保持率为70%左右。

除去上述含锂过渡金属氧化物正极材料系列外，高安全性橄榄石结构正极材料以及配合金属锂负极的硫化物材料也取得研究甚至应用进展。其中，美国Whittingham教授指出，在报告中提出在LFP基础上可向LFMP、LMP发展，再向具有两个电子得失的Li₂VOPO₄发展。其中在回答我们提出问题时说明：位于纽约州恩迪科特的 Imperium3NY 正在建设中的超大型工厂中将实现改进LiMnPO₄的商业化运行。它的主要用途可能在电池储能系统和一些诸如叉车等的专业市场。所有的磷酸盐将更安全，因为充电时，它们不容易释放氧气。它们的成本也应该更低，因为它们不含像Co和Ni这样的昂贵金属。它们不会取代在对体积特别敏感的应用中采用的层状氧化物，譬如手机和计算机等。Li₂VOPO₄ 将克服 Fe 和 Mn 磷酸盐的能量密度低的问题，但仍需要解决一些问题，如与电解质的反应等（Imperium3NY in Endicott, NY are commercializing modified LiMnPO₄ in a Gigafactory under construction at this time. Its main use is likely in BESS and some specialized markets like fork lift trucks. All the phosphates will be safer, as they are not prone to release oxygen on charge. They should also be lower in cost as they do not contain expensive metals like Co and Ni. They will not displace the layered oxides for volume sensitive applications such as phones and computers. Li₂VOPO₄ will overcome the lower ED of the Fe and Mn phosphates, but still require some problems solved such as reaction with the electrolyte.）。

美国 Wildcat 技术公司采用他们发展的高通量研究平台。详细研究和提出了LMFP/NCM混合正极材料的应用特点及可行性。结果表明NCM811中混合 LMFP 可提高正极的放电率、循环寿命和安全性。同时，该公司的专有电解质可以进一步改善混合正极的循环寿命和安全性。此外，选择不同的NCM材料会有较大的区别。

图4 NCM/LMFP混合正极的特点示意比较图（左图：NCM-A；右图：NCM-B）

法国CEA-LITEN Sebastien Martinet博士提出了与金属配对的高比容量正极材料含Se的硫化钛，如Li₂TiSeS₂ (261 mAh/g)。Se的加入，虽然降低了比容量，但却显著提升了其循环稳定性。

（2）本届会议涉及提升锂离子电池比能量的相关负极材料，主要集中于硅基材料的进一步研究与应用扩展以及金属锂负极的实用化的方向。其中，美国一家初创公司“Group14”提出的“LITHIUM-SILICON:AN ADVANCED ANODE MATERIAL FOR LITHIUM-ION BATTERY APPLICATIONS”非常有新颖性；安普瑞斯（南京）有限公司展现了应用自身发展的硅碳负极材料体系，研制出达到320Wh/kg的实用锂离子电池；法国CEA、上海航天811所以及深圳弗迪公司对金属锂负极的深入研究，阐述了问题，提出了改善措施，并演示了电池实验结果，这些都是历次会议以来，具有创新性的研究进展展现。分别简评如下：

Group14公司针对锂进入硅引起的极大体积膨胀、不稳定溶剂电解质界面（SEI）以及容量显著衰退等问题，提出了他们认为“硅的理想解决方案”，如图5a所示，由此使采用该材料的电池能量密度显著增高，且循环也较为稳定，如图5b所示。

演讲人强调他们采用了无定形和纳米尺度硅，无需电池电解质的保护等措施。同时还采用了公司获得专利的两步流程，以得到完美的硅碳材料。两步流程分别为第一步称为“干裂解（Dryrolysis™）”，合成出多孔硬碳支架；第二步称为“硅化作用（Siligenesis™）”，合成出无定形和纳米尺度的硅。该材料显示出一个特别实用化的优点，即在硅碳中硅含量自0-100%全区间内，首次循环效率都保持在91%以上，如图6所示。

在本届会议上，宁波材料所刘兆平博士带领的团队，阐述了石墨烯在锂离子电池硅负基应用中的一项技术成果，开发出“长循环寿命石墨烯复合硅碳负极材料”。针对作为硅基负极应用时的严重膨胀难题，他们提出了石墨烯/氧化亚硅的复合重构和包覆碳方案，如图7所示。按图7的方案，他们对所获得的石墨烯复合硅碳负极材料进行了各种性能测试，并与原先的硅碳负极材料做了对比。

其中，采用该材料的电池经充放电特性以及其后的膨胀测试，最引人注目，如图8和图9所示。由图8和9看出，石墨烯硅碳负极材料应用，不仅可以抑制电池膨胀（由抑制硅锂体积膨胀所至），而且显著提升电池的循环寿命。研究报告特别指出，石墨烯的加入没有提升负极或电池容量，也就不可能直接导致比能量的大幅度提升，因此社会新闻中时常出现的具有高比能量的“石墨烯电池”问世，科学上是不可行的。

在本届会议上安普瑞斯（南京）有限公司介绍了公司继续采用自主开发的结构化硅负极材料体系，设计与研制出针对不同应用的高比能量锂离子电池。安普瑞斯重点展示了其材料体系在320Wh/kg动力电池平台的综合性能，电池正极基于NCM811(Ni为83%)，目前在1C/1C室温下循环，容量保持率降至80%时的循环寿命达1000多次（4.2-2.5V），同时支持45℃高温循环900次以及60℃存储60天和-20℃放电。2021年，安普瑞斯计划推出包括用于航空航天领域400Wh/kg电池体系；纯电动车领域350Wh/kg电池体系；消费数码领域的超过800Wh/L能量密度电池；可用于无人机3C电流下达到300Wh/kg的功率/能量型电池以及电动工具在10C电流下达到250Wh/kg的高功率/高比能量电池等。

金属锂负极研究的某些进展成为本届会议的一大亮点。会上共安排了三篇介绍金属锂负极研究进展的演讲，基于金属锂也是全固态电池最有竞争力的候选材料之一，因此已经成为负极材料领域值得重视的一个研究热点。事实上，金属锂在电解质中充放电过程的枝晶生长，一直是困扰其作为蓄电池负极的难题，因为它不仅降低锂的利用率，更导致短的循环寿命、甚至安全危害。法国CEA试图通过建模和实验方法相结合来改善金属锂的枝晶形成，从而提升其可充性。他们提出了锂表面枝晶形成的连续模型，并与电化学阻抗研究（EIS）/AFM实验测量得到的SEI参数相关联，以便给出提高金属锂负极可循环性（相关论文即将发表）的标识。上海航天811所解晶莹团队提出的 “多功能磷腈添加剂助力FEC基电解液在高电压锂金属电池（实例：4.4V Li/LiPF₆/NCM811）中的应用” 报告，他们发现“氟代磷腈”在FEC-LiFP₆电解液中显示多功能作用，包括清除电解液中路易斯酸PF₅，HF，抑制电解液变色，从而提高金属锂存储性能，加之其对电解液浸润性改善，从而引导Li均匀沉积和可充性提升；优异阻燃特性，提高高能量密度电池安全性；优化高镍正极界面，增强倍率放电能力；与2F（LiPF₂O₂）添加剂协同作用，实现高容量全电池循环4.4V Li / NCM811全电池稳定循环(0.33CC/0.5CD)。测试结果显示，该5Ah 35μmLi/NCM811 (5.5mAhcm-2) 电池比能量达到≥450Wh/kg，循环寿命≥100次。

深圳弗迪公司郭姿珠博士的团队在探寻全固态电池技术突破中，曾首先致力于固态电解质材料与正极活性材料之间的界面问题，在得到相对充分的理论与实验验证基础上，虽然已提出了相应的改善方案。但发现解决这个问题，并未能使电池能量密度得到实质性的提高。近几年，他们转而将关注点聚焦在研究金属锂负极上面，并越来越认识到金属锂应用的价值（如图10a、b所示）及其面临需要突破的关键问题-“金属锂与电解质界面问题”。他们在液态电解质中的研究过程，也发现可以通过各种优化，比如引导沉积、保护层、电解质优化等得到无锂枝晶和相对较高锂效率的锂金属电极。在此基础上，他们演示了一系列高性能原型样品电池的评价，显示出实现更高比能量、甚至具备长寿命特性的成果，分别如图11a、b、c、d所示。

弗迪公司研究团队坚信，未来若能更有效解决锂金属负极与电解质之间的界面问题，该电池体系不仅具有高能量密度的优势，可能在低温循环、倍率性能方面等具有一定的潜力，可想象的应用空间极大。

（3）本届会议涉及提升锂离子电池综合性能（安全、循环/日历寿命、充放电倍率、高低温性能等）的其它关键材料，主要聚焦于电解质、安全性隔膜、导电添加剂、特种粘合剂等材料的进一步创新研究与应用扩展方向。

鉴于在该领域的演讲题目与内容众多，因此以下特别选几个亮点，简评之：

安全型隔膜开发与应用：武汉力兴与中国电力科学研究院公司共同开发了一种称之为“电极支撑型无机隔膜”，作者建议尤其适用于储能锂离子电池等。他们是将高耐热性的超细无机物颗粒制浆，直接涂敷于电极上，从而形成了由电极支撑的无机隔膜。这种复合隔膜/电极显著提升了电池安全性，相应电池不仅可通过标准中规定的各项滥用实验要求（包括针刺、挤压等），还能在高达400℃高温环境，隔膜形变率近乎为零，由此难以引起电池的“热短路”。如图12所示，相应电池在300℃下的热箱实验时，仍然无任何冒烟、起火等发生。同时由于该多孔无机隔膜吸液性强，保液率较高，使得电池显示出稳定的电化学特性。如半电池循环100次容量保持率在98%以上，全电池1000次循环容量保持率仍能保持在80%以上；同时电池在高温（50℃以上环境）及耐低温下（-30℃以下环境）的性能，也优于采用传统有机隔膜的锂离子电池。由图12看出，采用有机隔膜锂离子电池在200℃热箱实验中电池与隔膜都烧焦了，而采用无机隔膜锂离子电池在200℃、乃至300℃热箱中隔膜保持完整。

电解质材料研究与应用：我国在电解质领域的创新研究进展十分靓丽，其中，上海复旦大学夏永姚教授及其指导的团队针对传统锂离子电池自身在低温下较差的容量保持率、较大的极化甚至不可充电，导致其在特殊环境（如寒冷地区、高海拔、航空航天、军事探索等）的应用领域成为“瓶颈”问题。鉴于电解质和电极材料是电池的两大重要组分，对电池体系的电化学性能起到决定性作用，因此成为重点研究的范畴。夏教授团队近年来在宽温电池领域取得了显著进展，包括研究出一系列宽温电解质体系，配合了基于嵌入反应的无机物电极材料和不同于传统嵌入/脱出反应的有机物电极材料等，从而发展出独特的“全气候锂电池”，如图13所示。该图清晰描述了复旦夏教授研究团队提出的“共溶剂（高盐浓度+惰性稀释剂）策略”，他们用自行设计的共溶剂电解质配合Li/PI的有机物正极电池，显示不仅能够在低至-70℃下工作，容量维持率还可为室温的70%，这为锂离子电池扩展至更宽广的温度区间等应用提供了科学与技术基础。

在本届会议上，珠海市赛纬电子材料股份有限公司通过对解剖电池中电解质的有效成分分析，发现这些组分随循环次数增加而不断损失。因此提出阻抑电解质有效组分衰减提升电池健康状态的解决策略。由此通过自主设计及合成的新型添加剂M052 M106、M116能有效抑制电解质中常用添加剂及锂盐的消耗，显著提升了锂离子电池的循环寿命，进而改善电池的SOH。

此外，中科院苏州纳米所研究员、上海交通大学陈立桅教授团队在固态超离子导体材料研究中发现了一种新方法，可以在大多数复合薄膜中创建连续体界面，相应离子可以在该界面内传导，该材料称之为体界面超离子导体（Bulk Interface Superionic Conductors，缩写为BISCs）。测试表明在 25 μm 厚薄膜中，锂、钠和镁的BISC，25°C下的离子电导率已分别达到 1.16 mS cm-1、0.40 mS cm-1 和 0.23 mS cm-1，相对于面传导的材料分别高出464 mS cm-2, 160 mS cm-2 and 92 mS cm-2。

导电剂与粘合剂：本届会议上，江苏天奈科技股份有限公司、益瑞石石墨和碳公司(Imerys Graphite & Carbon)、Cabot 公司以及山东希诚新材料科技有限公司等提出了导电添加剂的创新技术与应用产品，而阿科玛和日本JSR Corporation公司提出了粘合剂技术与产品应用的新方案。这些新技术与产品应用，对促使锂离子电池综合性能的持续提升有重要贡献。

导电添加剂：天奈公司研究发现整体导电剂应用趋势是使用更细的碳纳米管，可以改善电池容量密度。特别是使用更长更细的碳纳米管，如FT2000单壁碳管，可以大大延长硅基负极的循环寿命。FT2000添加越多，SiOx循环越好。单壁碳管混合10％LB216，则电池性能基本无差别，但具有较高的性价比；考虑到FT2000的分散性和粘度稳定性问题，建议将其与多壁碳纳米管一起使用。通过对高容量的硅材料与常用的石墨的复合负极研究发现，用碳纳米管及石墨烯新型导电剂，尤其是少量的单壁碳纳米管，可以有效地提高硅材料的用量，增加电池的首次循环效率和容量。益瑞石石墨和碳公司(Imerys Graphite & Carbon)设计了快充石墨类添加剂，它是利用 CVD 碳包覆技术开发的 C-NEGY TM QX 系列，能有效的提升各种人造石墨负极的常温和低温的充电倍率性能。卡博特（Cabot）公司全球最大的炭黑生产企业，今年发布了碳纳米管（CNT）的产品系列。他们提出了导电碳添加剂总称（conductive carbon additives，简称CCA），其涵盖了碳纳米管（CNT）、炭黑（CB）和纳米结构碳。Cabot 的研发团队致力于优化 CCA组成（如CNT和CB的结合使用）在 LIB 中的使用和功能。例如在正极中，采用高纵横比的CNT，在电极薄膜上的电子电导率方面显示出明显的优越性。同时，丙烯酰CCA，CBs，可以使其与含锂活性材料有更多接触点，显示出高效离子电导率，并为Li+运输提供必要的空间，同时还可平衡CNT成本和可处理性的挑战。实验已经确认，使用CB的配方可提高电池的低温性能。在配方中优化 CNT和高性能 CB 的比例可提供类似于 100% CNT 的循环性能。我国山东希诚新材料科技有限公司是一家初创性质的导电剂材料生产企业，他们在研究导电添加剂石墨烯/碳纳米管导电浆料过程，认识到只有石墨烯/碳纳米管导电浆料分散良好，更好的为电池材料构建优异的三维网络导电骨架，才能充分发挥电池材料的储锂性能。由此在首先阐述石墨烯/碳纳米管导电浆料的分散机理基础上，创建了石墨烯/碳纳米管导电浆料的分散技术，即“立足于独特的微纳米分散技术”。这种技术可以高效剥离单层石墨烯和实现纳米级极限分散，从而为电池提供定制化的三维网格导电方案，如图14的案例（*）所示。（*）CS101/102产品，导电性好，主要用于钴酸锂/三元等高倍率快充型电池体系。在LCO体系中，CS101产品内阻小，20C高倍率循环300周容量保持率为92.4%， 30C/1C容量保持率达87.8%。

粘合剂：阿科玛（Arkema）是全球最大的PVDF的生产和供应商。由于PVDF出色的粘附性能和电化学稳定性高达5V，长期以来它是锂离子电池正极较理想的粘合剂。但一般它都是分散在NMP有机溶剂中使用的，为了更加环保，本届会议上阿科玛推出了在水基或干法直接与电极材料混和制备电极的方案，如图15所示。

盛禧奥（Trinseo）是一家全球知名“水性粘合剂”制造和供应商，他们通过研究发现增加负极涂覆厚度和提高压实密度是提升电池能量密度的有效手段。然而，这会带来极片反弹和 DCIR 的恶化。粘合剂是控制极片反弹和 DCIR 的重要因素。但传统的负极粘合剂很难在这两个性能间取得平衡。为了解决这一难题。在研究了粘合剂对极片涂层结构的影响的基础上，盛禧奥新开发出了一种能够同时降低极片反弹和 DCIR 的高性能负极粘合剂，由SBR和CMC适当配比组成，并发现提高SBR与CMC的兼容性将增加涂层粘度稳定性。新开发的产品 SPI257与竞争产品相比，可使电池-10°C下内阻减少超过20%。SPI 013 可以进一步改善低温性能，特别是抑制锂的析出，但电池在高温下性能变差。

3、在加速再生能源（太阳能、风能）扩展应用的机遇下，电池储能技术正在加速认证，并从演示逐步向扩展应用发展

本届会议上特别邀请我国科技部“十三五”与“十四五”储能技术规划专家，中科院物理所李弘博士做了“储能技术的挑战与发展趋势”演讲。分析表明“发展可再生能源、规模储能、电动汽车和智能电网”是优化我国能源结构，保障能源安全的国家战略， 其中，储能技术乃是能源革命的关键支撑技术。在国家储能技术规划中涵盖了众多的技术体系，按应用场景不同可归纳为短时高频、中短时长和超长时长三类，如表2所列。从表所列可以看出，储能技术不仅涉及不同的领域，还涉及更多类型技术，针对不同应用需要，可选择最合适的技术和产品。

表2 按应用场景不同的储能技术分类

报告列出了“十三五”计划所列十大储能技术及其进展，包括了技术1、100MWh级新型锂电池规模储能技术开发及应用（2016-)；技术2、10MW级先进压缩空气储能技术研发与示范（2017-）；技术3、MW级先进飞轮储能关键技术 (2018-）；技术4、梯次利用动力电池规模化工程应用关键技术；技术5、液态金属储能电池技术；技术6、海水抽水蓄能电站前瞻技术研究；技术7、全钒液流电池技术；技术8、钠离子电池（2016-）；技术9、高安全性长寿命储能型固态电池的基础与应用研究(2018-)；技术10、高性能锂离子超级电容器关键新材料（2016-）。在介绍中清楚认识到，这些技术在“十三五”都取得了很大进展，一些项目创新成果显著，一些项目已经向实用转化。“十四五”我国储能计划中对规模储能提出了期望达到的目标要求，包括：高安全：本质安全，在突发系统事故和运输、安装、滥用时不存在起火爆炸问题；长寿命：使用年限大于25年，循环次数过万次；高功率：支持2-5C，降低功率成本，电站系统响应速率低于300毫秒；高效率：环境控制、工况下，系统能量转换效率高于90 %；低成本大规模：度电成本低于0.2元，实现GWh 级储能电站；智能化：从单元到系统，任意工况和日历和寿命下状态可知、可控、自主响应；环境适应性：适应全气侯域；长时间尺度：单次能量存储和释放可以大于4小时，发展8-10小时以上储能技术；可持续发展：不存在资源压力，可梯次利用，可回收，形成绿色循环经济。

在本届会议上也特别设置了一个储能技术发展专题分会，由中科院物理所胡勇胜团队介绍了具有储能应用潜力的“长循环寿命的高功率钠离子电池”。他们把多年来发现了诸多的的钠离子电池正负极材料组合起来，不仅制备出1-12Ah单体电池，而且研制出全球第一个30kW/100kWh钠离子储能电池组，正在投入实际演示运行，如图16所示。鉴于有了自主创新的专利与技术，加之钠离子电池材料体系的资源丰富，展现了其在我国进一步实用化发展的良好前景。大连化物所张化民博士在“全钒液流电池储能技术的最新进展及应用”报告中分析了市场需求（如图17所示）及研究中的技术突破情况。其中先后发展了高能量效率电堆技术，在不低于80%时的可连续稳定放电功率下，电堆电流密度可达300mA/cm²，由此使电堆体积减小，成本进一步降低。同时加速寿命试验证实了液流电池具有优异的耐久性，所内的一个小型实验电站自2007年7月6日开始运行以来，

截至2012月5月15日，正常、连续运行1678天，超过40,000小时,实现有效充放电循环12,420次。电池系统能量效率衰减5%。图18示出大连融科公司制造、演示运行的全球最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统，实际运行了8年多。

上海电气国轩新能源科技有限公司成立于2017年5月，由上海电气和国轩新能源科技有限公司合资组建，简称“上海电气国轩”。短短几年内取得了显著的发展，2020年上海电气国轩完成5.7亿销售，储能项目装机规模达到600MWh。其中上海电气开发了一系列储能锂电池产品，如表3所列。显然，电力公司与电池公司的紧密结合，对促进电池与电池储能系统技术发展与最终产品应用会有极大技术支撑与推动作用。

本届会议上浙江安力能源有限公司及其展示的钠盐电池皆为首次在国内大型国际会议亮相，安力系浙江超威与美国GE的目前全球唯一提供钠盐（钠氯化镍）电池与系统的合资公司。钠盐电池实质上是固体钠离子导体β”-Al₂O₃(s)固体电解质钠硫电池的演变体系，其中电池正极氯化镍取代了硫，使电池反应过程中，显示了独有的过充电与过放电安全保护机制，如图19所示。同时，即使当陶瓷管破损正负极短路时，由于反应中（3Na+NaAlCl₄→4NaCl+Al），Al在陶瓷管破损裂缝中生成堵塞裂缝，阻止短路反应的进一步进行。此时电池相当于正负极导通态，该单体电池只相当于一条导线，对于模组电池包的影响只是降低了2.58V电压，整个模组尚能继续正常操作（一般模组能耐5%~10%电池短路损坏），该电池的上述安全性机制，显然是该电池的突出特点之一。但是，由于β”-Al2O3(s)固体电解质室温钠离子导电率太低，又需要让钠和NaAlCl₄呈液态，以保持钠与电解质有良好的接触与反应界面，因此钠氯化镍电池的工作温度选择在270℃-350℃的较高温度区间。由此，电池组需要有加温设计，而如果温度过高时，又有温控下的适当散热设计。这虽然增加了系统设的要求，但却给钠氯化镍电池带来了另一个特点，即可以在非常极端温度环境（如–40℃或更低至+60℃或更高）正常工作，如图20所示。由图看出，即使电池组分别在–50℃和+70℃下储存后，再分别在-40℃和+60℃下放电，其实际放电容量完全一致。此外，该电池循环寿命极长，预计8小时率充放电，可达20000次；3小时率10000次；2小时率6000次。公司品牌称为“Durathon® ”电池案例用于北京市科学技术研究院现代制造中心，产品为125kw/500kwh；尺寸3991*2435*2896；重量10.4T；运行自20191216起始，合作对象为中电智慧综合能源有限公司。采用钠氯化镍电池的储能系统部件主要有集装箱、双向逆变器(PCS)、电池包、灭火装置、风扇，照明，远程监控及线缆等部件。该项目的优点：系统的体积比能量大高，达到18.5kwh/m3，这比锂离子电池系统的13.5kwh/m3更高；安全性高；寿命长；电池绿色环保，回收价值高；运行维修比较简单，系统采用pcs的单通道对接单个电池包模式；系统无需安装空调冷却系统。

在本届大会上，宁波大学机械学院院长、宁波中车新能源科技有限公司首席科学家阮殿波首次提出发展“超过20 kW/kg比功率的超高功率超级电容器，满足“军民大功率储能电源技术融合的概念”。他们的深入研究表明，制约的关键是储能材料与单体制造技术。他们发明了双碱催化剂和二氧化碳气体的固–气联合活化法，实现批量化高比表面积（≥1800 m²/g）、高堆积密度(≥0.4 g/cm³)碳气凝胶的制造技术。这种材料的性质超过了国际知名企业的产品水平，如表4所述。

表4 国内外几种超级电容器碳材料特性比较

采用自主开发的碳气凝胶和电极工艺制备出Φ60140超级电容器，电容量达3000F、电压3.1V、内阻0.08 mΩ、可达75 kW/kg和10.1 Wh/kg。该产品远超过了特斯拉（Maxwell）的同类型活性炭产品，后者的比功率仅有16kW/kg和比能量7.2Wh/kg。这种超高功率超级电容储能电源具有军民融合显示应用优势，其中民用包括轨道交通、港口机械势能回馈装置等。

4、本届会议上的演讲中，部分重要演讲嘉宾做了视频演讲，还有一些专家介绍了一些具有实用性或直接参考应用的新技术成果，也成为本届会议的一道风景线

微宏公司技术总监刘文娟博士认为在储能设备上，Li-ion 电池是最有潜力的候选产品之一，这主要是因为其高能量密度、相当好的速率能力和相当长的周期寿命。目前，锂离子电池已接近其理论能量密度极限，电池制造商开始专注于改进制造方法和提高安全性。在演讲中，她介绍了微宏的锂离子电池非易燃电池技术，通过从材料到系统层面的多层次方法解决电池安全问题。新技术采取主动和被动保护措施，以提高产品安全性，包括改进电池的电解质、隔膜和保护系统。 纳同时，汽车应用保持了快速充电和超高的循环寿命。不可燃、快速充电和超长的循环寿命电池技术可以解决电动汽车发展中目前的关键制约因素，并重新设计电动汽车动力系统，实现电动汽车的大规模采用。

奥地利AVL Bernhard Brunnsteiner博士的视频演讲则着重于动力电池的安全性专题，他们用利用虚拟仿真开发来理解和抑制锂离子电池系统中的热失控扩散，提出了在整个电池系统中。要从单体电池的影响出发、考虑传感器监测选择、整体设计以及检测评估等，AVL作为一家知名汽车技术咨询企业，可以提供全方位的服务。

我国最大的动力和储能电池企业CATL在本届会议上提出了创建宁德时代21C创新实验室“全称中国福建能源器件科学与技术创新实验室”，立足新能源产业关键卡脖子问题及未来产业发展技术，构建从前沿研究到产业落地的全链条创新布局。实验室目前依托宁德时代创新研发体系和海量数据资源，以大数据技术和高通量超级计算为支撑，正在致力于构建以信息化、网络化、智能化为基础的数字化研发体系，以实现设备泛在互联、数据自动化采集、智能化设计制造、研发过程优化、一体化信息管理与智能服务。

中化国际（控股）股份有限公司新能源事业部首席技术官/研究院院长、本届会议共同主席李国华介绍了中化动力电池技术开发进展，展现了作为一家介入动力电池产业与技术发展较晚超大型公司的实力与快速成长态势，在淮安生产基地基础上，又计划在扬州建立新基地；日本著名咨询机构“株式会社矢野经济研究所Inagaki Sachiya工业技术部部长在视频中，预示了全球、特别是欧洲电动车未来快速发展之趋势，作为已经走在全球领先的亚洲电池界应该联合与合作，引领这一发展进程。苏州科技大学材料科学与工程学院院长，重庆市先进材料与洁净能源重点实验室主任; 欧洲科学院院士、欧盟科学院院士、俄罗斯工程院外籍院士、美国医学与生物工程院院士，英国皇家化学学会会士，澳大利亚国立大学CRAIG教授李长明教授首次作为特邀嘉宾参加了CIBF2021盛会，较祥细阐述了锂硫、金属空气、固体电解质等电池体系做了比较，提出了需要解决的问题，展现了未来应用的前景等。 美国宾州大学王朝阳博士/教授对高比能量与快充电的关系做了深度分析和建议，其中采用他先前建议过解决低温下车辆电池的加热方案，可以在快充时使用。如先加热至60℃后实施快充电，就可避免锂析出问题等。

苏州宇量公司毛环宇博士/总经理对电动车车载电池荷电状态（SOC）实值报告不准问题做了深入观察与分析，提出了科学修正方案，并申请了专利；我国快速成长的冠宇电池股份公司董事长延铭领导的研究团队，对软包动力电池寿命预测做了细致研究，提出了快速评估的实用方法。宝晟（苏州）能源科技有限公司提出了基于干法纳米导电纤维网络技术的预锂化与干法制备电极的方案，介绍了详细的设备的工艺特点和电极性能，分析认为制造成本会有所降低。苏州大学郑洪河教授找到了合适的石墨和电解质添加剂，使石墨负极可以在PC溶剂的电解质中应用，有利于电池低温等性能的改善。浙江金琨锆业有限公司可以提供德国工艺氧化锆粉，用于NCM三元材料提升电池的电性能；而其德国工艺制备的氧化锆微珠用于研磨硅碳材料，使其纳米化。

5、大会专题讨论

本届大会结束前由会议主席刘兴江博士组织了一次演讲嘉宾和与会代表的圆桌讨论会（Panel Discussion）,主题是“未来电池技术与产业”。与会代表提问非常踊跃，归纳起来有几点共识：

1）无论动力电池或储能电池技术都在持续创新发展，要坚持多元化、多门类发展，尤其是未来的储能应用，按照国家规划或应用要求，更是多元化与多门类技术并举（其中还包括物理范畴的储能），如果发挥出各自的优势，必将是各有各的应用之处，不存在某种一定取代另一种的问题；

2）在超越锂离子（Beyond Li Ion）新一代电池体系方面，锂硫、锂空气与全固态锂电池等是研究焦点，其中，全固态电池体系是发展“未来电池技术与产业”最引人注目的体系，但它可能要从半固态（Semi Solid）逐步走向真正的全固态（All Solid），尚须5年或更长的时间；

3）锂离子动力与储能电池将在至少10年期间，将持续得到技术进步与产业巨大扩展。其中，在应用中的安全性仍然是近期亟待解决的重中之重问题，而不断推出能使电池更安全、显示更高比能量的材料体系、电池与系统技术，则是锂离子电池本身换代的需求与推动力。

本届会议结束后，我们曾向特邀演讲嘉宾、2019年化学诺奖获奖人M.S.Whittingham 提出了三个问题，尽管前面亦有部分叙述，但在本总结最后将原文（英文）表述出来，供大家参考与思考，坚定自己的技术方向与信念，努力为推动我国电池行业的技术与产业持续发展做出创新贡献。

Question 1：Could you make comparison of future possible application of your proposed LiMnPO₄、Li₂VOPO₄ with NCMA (Ni rich or high voltage or Co free types)? Advantages/Disadvantages and some efforts should be solved before use?

Answer：

Imperium3NY in Endicott, NY are commercializing modified LiMnPO₄ in a Gigafactory under construction at this time. Its main use is likely in BESS and some specialized markets like fork lift trucks. All the phosphates will be safer, as they are not prone to release oxygen on charge. They should also be lower in cost as they do not contain expensive metals like Co and Ni. They will not displace the layered oxides for volume sensitive applications such as phones and computers. Li₂VOPO₄ will overcome the lower ED of the Fe and Mn phosphates, but still require some problems solved such as reaction with the electrolyte.

Question 2： Could you make some comments on all solid batteries for xEV & BESS application: How to solve interface problem of solid electrolyte with electrodes? Which type solid electrolyte is better for practical battery application? Is pure Li to be used in such batteries without Li dendrites growth during charge & discharge? How long it will be for all solid batteries going to market, etc.?

Answer:

All solid state batteries are used today for some specialized EVs, buses and BESS. These are made by Blue Solutions in France, but operate at around 70°C, so not really good for personal cars. No operation problems that I am aware of. No dendrite issues today under normal use. Cells are Li/PEO/LiFePO₄

The next generation of solid batteries is still 5 years away for commercialization at scale; large development effort across the globe so I expect new materials to be discovered.

Question3: How is your opinion for fuel cell systems commesurlised in EV application, instead of Li ion?

Answer:

Any fuel cell system will be a hybrid fuel cell/battery as fuel cells operate best at constant output. Therefore, not viable for fast acceleration or for regenerative breaking by themselves. Some are commercial today – but issues surround cost and availability of hydrogen.

总之， CIBF2021国际先进电池技术大会是一次十分成功的电池行业内外的技术交流活动，对推动电池技术的创新发展和市场扩展具有深远意义。我们在此感谢国内外演讲嘉宾、赞助单位、所有参会代表以及在现场的服务人员，为各位对这次大会的成功所给予的支持和贡献。