電子報記者付毅飛?
“你知道中國目前面臨最迫切的問題是什么嗎？”接受采訪時，中科院物理所黃學杰研究員突然笑瞇瞇的問道。平時習慣了向別人提問，猛然間自己被問了一句，記者一時沒有反應過來。不等記者回答，黃學杰接著說道：“能源問題是我國面臨的迫切問題，對于緩解石油和電力的緊張，充電電池可以起到重大作用。”?
　　鋰離子電池緩解能源緊張?

　　隨著對現有材料和電池設計技術的改進以及新材料的出現，鋰離子電池的應用范圍不斷被拓展。民用已從信息產業（移動電話、PDA、筆記本電腦等）擴展到能源交通（電動汽車、電網調峰，太陽能、風能電站蓄電），軍用則涵蓋了海（潛艇、水下機器人）、陸（陸軍士兵系統、機器戰士）、天（無人飛機）、空（衛星、飛船）諸兵種，鋰離子電池技術已不是一個單純一項產業技術，它攸關信息產業的發展，更是新能源產業發展的基礎技術之一，并成為現代和未來軍事裝備不可缺少的重要“糧食”之一。?

　　黃學杰說，鋰充電電池的研究早在國家863“七五”計劃中就列為專題，一直進行到現在。初期主要研究鋰充電電池，后來為了解決金屬鋰負極不穩定的問題，發展出以儲鋰材料為負極的鋰離子電池，目前已經廣泛用在了手機、筆記本電腦、MP3等電子產品上。?

　　如今的鋰離子電池用途遠不止如此。黃學杰向記者介紹說：“日本豐田公司生產的一款混合動力汽車，百公里耗油僅3升，約為同等級普通汽車的一半，此車配備的高功率充電電池是和發動機同等重要的部件。”他表示，混合動力汽車將油和電兩種能源結合使用，電池提供電能以驅動一個電動牽引電機，而發動機則在必要時轉動，為電池充電或為加速提供額外的動力發動機這種混合動力汽車一旦普及，可以緩解石油、污染等問題。?

　　對解決目前緊張的電力問題，鋰離子電池同樣可以發揮重要作用。黃學杰說：“當前我們所說的電力緊缺，其實不是絕對現象，而是用電嚴重不平衡造成的。白天一些時段用電量較大，導致電力緊張，但深夜到凌晨用電少，電力又有富余。發電廠不可能根據用電的峰谷來調節發電量，這時就又需要電池發揮作用。”他告訴記者：“在日本，部分家庭配備了鋰離子電池，在用電低谷時充電，高峰時使用，是一種解決電網負荷平衡的理想方式。”此外，目前所提倡的一些清潔能源如風能、太陽能等都存在類似不穩定的情況，必須與電池結合使用。?

　　“不導電”的正極材料?

　　鋰離子電池具有能量密度高、壽命長、環保等優點，問世以后迅速取代了鎘鎳、鎳氫等傳統電池的地位，自1991年日本索尼公司率先將其商品化以后，市場范圍不斷擴大，僅用了十年，全球產值就超過了鎘和鎳氫電池之和。然而，由于材料需求量飛速增長，鋰離子電池的成本問題已經日益凸現出來。如何讓鋰離子電池“脫胎換骨”？?

　　“863計劃首先在電池的新材料研究開發方面給予我們多項支持。”黃學杰介紹，正極材料是目前鋰離子電池中成本最為突出的材料，同時也直接關系到電池的安全性能和電池實現大型化的可能，但傳統正極材料———鈷酸鋰的年需求量已超過一萬噸，從而導致鈷價大幅攀升，資源不足已開始制約產業發展。“我們發展錳系和鐵系材料，以提高電池的性價比和安全性能為宗旨，目前已經開發出高性能錳酸鋰和氧空位磷酸鐵鋰正極材料。”?

　　通過表面改性，大幅度提高錳酸鋰正極材料的高溫穩定性和大電流充放電能力，2004年初該材料的批量生產為混合電動汽車電池研制成功和小型動力電池的產業化提供了正極材料保障。?

　　磷酸鐵鋰具有穩定、壽命長等優點，但卻存在一個關鍵問題———電導率很低，不導電的材料如何能做正極材料？黃學杰笑著告訴記者：“說來有趣，解決這個問題的辦法是被我們‘算’出來的。”?

　　他說：“研究磷酸鐵鋰時，我們沒有像通常那樣查閱國外資料后即進行大量的改變成分和合成條件的試驗，而是先進行理論計算預測和合成方法進行探索。通過第一性原理計算，我們發現通過摻雜，形成氧的空位能提高導電性，這一發現為材料合成指明了方向。根據我們發展出的一種獨特的合成方法，制備出可逆容量達160mAh/克的氧空位磷酸鐵鋰材料，循環500次容量未見衰減，特別是具備高倍率（10C）放電能力。863計劃一期項目驗收時，與會專家一致認為這項成果居于國際領先水平，取得了重要的原創性成果。”他表示：“這項成果申請了3項發明專利，目前中試工作進展順利，一次合成量由幾十克級擴展到幾十公斤級，已具備50千克/批次的試產能力。另外預測壽命也可達到30至40年幾千次。”?

　　新型材料擴展鋰離子電池應用范圍?

　　針對鈷資源短缺的問題，可以取代鈷酸鋰的鈷鎳錳酸鋰正極材料也成功研制出來。黃學杰說：“這種材料屬于氧化物型層狀正極材料，1980年代初即被發現，合成難度遠高于鈷酸鋰，晶型控制尤其困難，一直未獲得應用，我們發展出獨特的前驅體合成技術和加鋰技術，80％的鈷被錳和鎳取代,并實現了對晶粒尺寸的控制，合成材料的可逆容量達到165mAh/克，比鈷酸鋰高10％以上，循環壽命達到500次。”?

　　此外，項目組還發展出了一種具有自主知識產權的三氧化二鋁表面修飾技術，應用于改性進尖晶石錳酸鋰材料，生產出可逆容量達到107mAh/克，55C循環200次容量保持率大于90％，優于國際同類產品水平，是國內第一個可用于混合電池用高功率鋰離子電池的材料，保障了電動汽車重大專項高功率鋰離子電池項目的順利推進。黃學杰說：“2004年，北京星恒公司基于此材料制造的高功率混合汽車用鋰離子電池全面通過了863計劃電動汽車重大專項組織的統一測試，功率達到1200W/千克，安全性、循環、高低溫性能等測試全部通過，今年預期達到1800W/千克并通過UL認證測試。另外，星恒10Ah高能量型和7.5Ah高功率型鋰離子動力電池還通過美國UL安全測試，成為中國本土第一個通過UL認證的鋰離子動力電池，為該類電池進入國際市場鋪平了道路。”?

　　負極材料是鋰離子電池中承擔鋰儲存功能的關鍵材料，重要性同樣不容忽視。黃學杰介紹：“目前應用于商品鋰離子電池的石墨負極材料可逆容量均在300－340mAh/克。對此，我們開發出納米孔硬碳球、元宵結構復合負極材料，目前復合負極材料的可逆容量已經達到600mAh/克。同時研制出石墨化納米纖維導電添加劑，可以提高高功率電池的功率密度。”?

　　他告訴記者，僅正負極材料即已申請了國內發明專利21項，其中四項獲得授權，并已獲得兩項國際發明專利授權。?

　　黃學杰最后表示：“我國的鋰離子電池產業發展很快，目前已成為世界第二大鋰離子電池生產國，僅次于日本。我們今后要做的就是開發大型鋰離子電池的新材料，在降低成本的同時，還要讓電池更加安全、長壽。”?

　　■鏈接?

　　鋰離子電池是近幾年出現的金屬鋰蓄電池的替代產品，它的陽極采用能吸藏鋰離子的碳極，放電時，鋰變成鋰離子，脫離電池陽極，到達鋰離子電池陰極。鋰離子在陽極和陰極之間移動，電極本身不發生變化。這是鋰離子電池與金屬鋰電池本質上的差別。鋰離子電池的陽極為石墨晶體，陰極通常為二氧化鋰。充電時，陰極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向陽極運動與電子合成鋰原子。放電時，鋰原子從石墨晶體內陽極表面電離成鋰離子和電子，并在陰極處合成鋰原子。所以，在該電池中鋰永遠以鋰離子的形態出現，不會以金屬鋰的形態出現，所以這種電池叫做鋰離子電池。?

　　■數字863?

　　我國的鋰電池研究已持續近20年。?

　　1986年至1995年，作為中科院“七五”國家重大項目，在物理所陳立泉院士的主持下，鋰離子電池在實驗室的研究開發過程經歷了9年。?

　　1996年，黃學杰接任課題組長，開始實現鋰離子電池的產業化過程。?

　　1997年，他們以國產設備和原材料為主，建成了國內首條年產20萬只18650型鋰離子電池芯的中試線，這種電池芯隨后成功用于廣播級攝像機電池。?

　　1999年，成都地奧公司等決定投資3000余萬元，就車用鋰離子動力電池進行長期布局。?

　　1999年11月，北京星恒電源有限公司正式成立，以鋰離子動力電池為發展方向，并以公司為主體開發鋰離子動力電池的核心技術，為鋰離子動力電池的產業化開發奠定了基礎。?

　　2001年，星恒公司承擔了國家電動汽車項目的高功率鋰離子電池課題，開始在北京建立了中試廠。?

　　2002年，在國內率先解決了鋰離子動力電池的正極、負極等關鍵材料的安全性問題。?

　　2003年，參照美國UL標準進行了鋰離子動力電池(10Ah、35Ah單體電池)的安全實驗，其中包括過充滿電穿刺、熱箱實驗(150℃)、3C倍率過充到10V、擠壓變形實驗。?

　　2004年10月，由北京星恒電源有限公司研制的高功率鋰離子電池，應用于首次參加了在中國上海舉行的必比登國際挑戰賽的混合電動汽車———“超越二號”，在七個比賽項目中獲得了五個A。?

　　2004年12月，公司一期產品電動自行車用鋰離子電池開始進入市場。?