图为中国工程院院士陈立泉 图片来源：中国经济大讲堂

2019年诺贝尔化学奖授予了美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰，以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。锂电池，这种轻巧且可充电且性能强劲的电池，改变了人们的生活，也为构建一个零化石燃料使用的社会提供了可能。可有谁能想到，1991年日本第一个将锂离子电池产业化之后却不断萎缩，反倒是中国将这个产业一步一步做到了世界第一。这中间究竟发生了什么？锂离子电池为人类创造了一个新的可充电的世界，而以锂离子电池为基础构建的“电动中国”计划，则正在帮助我们摆脱对化石燃料的依赖。但是，如今，锂离子电池也面临诸多现实挑战，安全事故时有发生，续航能力有限，能量密度提升已接近上限，锂离子电池未来何去何从？面对固态电池、钠离子电池、氢氧燃料电池等电池新势力，谁才是未来的终极电池？《中国经济大讲堂》特邀中国工程院院士陈立泉，为您深度解读《锂电池如何驱动“电动中国》。

图为中国工程院院士陈立泉 图片来源：中国经济大讲堂

早在2001年，汽车动力锂电池还不被大家所看好。当选中国工程院院士的陈立泉，向时任863计划电动汽车重大专项负责人万钢请求：“希望能给锂离子电池一个机会。”十年后，他成功地将锂电池材料研究这个曾被边缘化的冷门学科产业化，解决了锂离子电池规模化生产的科学、技术与工程问题，实现了锂离子电池从“中国制造”到“中国智造”的大转变，助推我国锂电池产业从并跑到领跑，实现了对日韩等锂电传统强国的超越。2007年陈立泉荣获国际电池材料协会终身成就奖，他开展的全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池、室温钠离子电池等研究，为开发下一代动力电池和储能电池奠定了基础。

2019年诺贝尔化学奖的获得者分别是Whittingham（斯坦利·惠廷厄姆）Goodenough（约翰·古迪纳夫）以及日本的科学家Akira Yoshino（吉野彰），这三个人的贡献是不一样的。

斯坦利·惠廷厄姆教授，实际上他刚开始是研究超导材料。关于超导材料他没有做什么工作，但是他发现硫化钛这个材料可以制成锂跟硫化钛电池，就是锂作负极。这种电池的安全性比较差，后来因为出了安全事故把一位日本小姐的脸烧了，后来这个公司就停了。

之后约翰·古迪纳夫就合成了一种化合物叫钴酸锂，钴酸锂是一个层状化合物，可以做锂离子电池的锂源，它结构还是稳定的，这是古迪纳夫的贡献。吉野彰看了古迪纳夫1978年的文章以后，就想办法用它去做一种电池。它的负极不用金属锂，而是用碳纤维来做负极，做成这种电池，这种电池后来就叫锂离子电池。

实际上锂离子电池已经改变了世界，改变最大的就是给我们日常生活带来了很多的方便的地方。诺贝尔奖在声明里头就说从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品到电动车和风能、太阳能等大型的储能装置，如今锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的能量源。我跟锂电池打交道大概有四十几年的时间，今天我想以锂电池与“电动中国”跟大家一起来交流。

1、我国锂电池产业是如何做到世界第一的？

从2018年全球电动汽车电池企业市场份额的排名情况来看，前10名中排名第一的是宁德时代，就是CATL，第2名是日本的松下公司，第3名是比亚迪，一共10名。2018年，中国有6个锂电池企业位居动力电池世界市场占有率前十。宁德时代是百分之37.23%，稳居第一，日本松下公司只有21.54%，排名第二，但是差十几个百分点。

中国锂离子电池产量为什么能够世界第一？这要从开始来讲起。

中国锂电池研究并不晚，几乎和世界同步。1976年的圣诞节之前，科学院派遣我到西德。那个时候德国还没有统一，东德、西德是分开的。我到西德斯图加特马普固体所进修，当时我很快发现他们全所上下都在研究氮化锂晶体的性能，我感到很奇怪，为什么大家对氮化锂这么

感兴趣？当时才知道氮化锂是一个离子导电的材料，据说是一种叫超离子的导体，可以用来作汽车的电池。我听到这句话之后马上在脑子里想了一下，我是不是要改方向。

他们的研究所有个开门办所，有一天对社会开放，他们就把这个氮化锂，这一个类似于扣子似的小电池摆在桌子上，旁边放了一个铅酸电池。我一看，一个铅酸电池很沉，一个扣式电池很轻。我就想这个东西的确是很有用的，所以我马上就给国内所里打报告，我说我要改行，从晶体生长改到新的学科，叫固体离子学。大概一个月以后，所里给我回信，允许我改行。回国以后，科学院非常支持把这个项目给物理所，说应该给这个年轻人建个研究室，所以很快就成立了一个固体离子学实验室。这是当时国内第一个固体离子学实验室，也是物理所最小的一个实验室。我从事的工作就是锂离子导体和锂电池研究。

1991年索尼公司宣布产业化以后，物理所迅速跟进了。当时我们就在思考怎样能够迈出产业化的第一步。我们做研究的单位是把钱变成知识，如果投资的单位是把技术变成钱。怎么想办法能把知识变成技术，就是怎么能够衔接上，我们提出了一个思路，就说能不能想办法让研究单位往前走几步，让投资单位往前走几步，我们在“桥”中间会合。所以就找了一个投资方，1993年签订了一个A型锂离子电池的研究开发协议，投资方给的经费是10万元钱，同时更重要的是派了三个人来。这三个人当时对我们有很大支持，因为当时实验室我就一个硕士生，人手很缺乏。

很快1995年第1块锂电池就从中科院物理所诞生了。当时的这个手机叫“大哥大”，可能年纪稍稍大一点知道，“大哥大”就是像一个砖头一样的一个手机，当时拿个“大哥大”是一种身份的象征。A型锂离子电池就是“大哥大”的电池。中科院鉴定以后认为，当时这个水平达到世界先进水平，可以再进一步往下走，这就是当时我们在实验室怎么样从知识变成了技术，走出了这一步。

现在有一种观点说锂电池是日本人发明的，中国在锂电池方面技术不行，只是在应用水平上比较领先。锂离子电池的发明肯定不是日本人，要不诺贝尔奖怎么是给两个美国人和一个日本人。所以说锂离子电池是日本人发明的这个话不完全对，可以说锂离子电池是日本人先产业化的，这句话是对的。

图为中国锂动力电池市场占有率 图片来源：中国经济大讲堂

我们可以从这张图看得出来，日本人最早1991年宣布产业化，市场占有率是100%，然后一直往下掉，现在还在往下掉。连索尼公司都不做锂离子电池了，它的

锂离子电池卖给了另外一个公司。韩国人跟中国人是往上走的，到2014年我们中国的动力电池、锂电市场份额已经超过了日本跟韩国，处于世界的第一位，现在还在往上升。

我们锂电池技术从目前发展的情况来看是不错的。实际上是学术界、工程界和产业界的一个合作，是研究院所和大学的通力合作，高度重视原始创新、基础研究和应用研究紧密结合，加快研究成果的产业化进程。

Goodenough（约翰·古迪纳夫）发现了普遍使用的正极材料钴酸锂还有磷酸铁锂，但这两种材料都有缺点。钴酸锂实际上只能取出0.5摩尔的锂，而磷酸铁锂实际上是个绝缘体，都有缺点。我们想办法找出它的缺点，然后通过理论计算和试验相结合进行了改性并且取得了专利权，这个专利权对于我们锂离子电池的发展起了非常重要的作用。

前几年比利时的五矿公司要到中国来收锂离子正极材料知识产权费，据说是一吨要收5万。做钴酸锂三元材料大概一吨的利润可能也不到5万，他们就到海淀知识法庭把我们告了，后来中国的做正极材料的企业联合物理所和他们庭外和解，因为我们有这个专利，所以他们再也没有提要收专利费的问题。看得出来，不是我们的原创材料，但是我们做了工作，我们也申请了我们的专利，对于保护我们自己的企业是很有好处的。

第二个例子就是磷酸铁锂。它是个绝缘体，我们通过理论计算，它是个一维的离子导体，如果说你在锂位掺上铬这种大的离子的话，就把这个锂的通道堵塞了，这样是不行的，没法用。后来就有人又提出来一个在铁位掺钠。铁位掺钠的时候，颜色变黑了，电导率也提高了几个数量级，它的离子电导率和电子电导率都挺好。所以法国和德国科学家认可这个工作，这是唯一的一条可行的路，打破了国外的原始专利对磷酸铁锂材料的垄断。这样才有我们现在各锂电池企业在相当大量地使用磷酸铁锂材料，不受国外知识产权的影响。

从这两个例子可以看得出来，虽然我们没有做原始创新，但是我们给它改性、再创新了，也是非常重要的。

刚才讲的是两个正极材料，那么现在我讲负极材料，这是我们的原始创新了。清华大学很早就申请了天然石墨做锂离子电池负极的专利。两年前，它申请了国家的发明奖，这个发明奖就等于是承认了我们用天然石墨做锂离子电池的负极是我们的知识产权。光有石墨还不行，石墨的容量是比较低的，372毫安时每克。硅的容量实际上是相当高的，那么硅能不能够作为锂离子电池的负极呢？1999年我就做了这个工作，申请了第一个专利。所以国际上第一个硅作负极的专利是我们申请的，这个是美国人也承认的。但是你要把它用上，还是相当困难的。从几百

毫克到几百公斤，用了17年的时间，这17年我们走的路从文章变成技术，然后变成产品，变成市场。

我们现在的原材料基本上是已经国产化，进口的量已经相当少，同时我们的设备绝大部分也都是国产化的设备，更不用说员工的技术，现在基本上都是我们自己培养的技术。

从手机、数码产品到电动汽车、轮船，锂离子电池已经在我们生活当中扮演着越来越重要的角色。但近些年，锂电池安全问题引发的事故同样令人印象深刻。三星手机电池起火爆炸，电动汽车碰撞起火甚至自燃，波音787客机发生锂离子电池起火事故，生产生活受到新的威胁。除了安全问题，锂电池的续航能力、电池循环使用寿命有限等问题，也常常被人们所诟病。能否避免锂电池成为人们身边的“炸弹”？如何破解锂离子电池引发的各种“焦虑”？