松山湖材料實(shí)驗(yàn)室推動(dòng)新能源材料科技成果加速產(chǎn)業(yè)化 鋰電池材料團(tuán)隊(duì) 在“死亡谷”上架起鐵索橋

“在科技成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移的‘死亡谷’上架起一座鐵索橋。”走進(jìn)松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，這句話便躍入視野。

這個(gè)位于大灣區(qū)綜合性國家科學(xué)中心先行啟動(dòng)區(qū)東莞松山湖科學(xué)城的廣東省實(shí)驗(yàn)室，于上個(gè)月迎來揭牌成立五周年，新園區(qū)正式投入使用。五年來，實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍發(fā)展到超過1000人，四大核心板塊初具規(guī)模，成功布局十大科學(xué)研究方向，探索實(shí)踐出一套科研成果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化體制機(jī)制。

五年前，乘著大灣區(qū)建設(shè)的東風(fēng)，來自中科院、北京大學(xué)等院校的材料科學(xué)家們走向產(chǎn)業(yè)一線。松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副主任、鋰離子電池材料團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人黃學(xué)杰正是其中一員。

黃學(xué)杰在中科院物理所從事鋰電池材料研究已有30余年。如今，他的工作更多是與新能源行業(yè)的企業(yè)家、工程師們打交道，推動(dòng)其研發(fā)的第三代鋰離子電池材料走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入電池車間的生產(chǎn)線，支持電池企業(yè)提升產(chǎn)品競爭力，讓研究成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2021年1月，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室發(fā)起成立能源材料與器件創(chuàng)新工場（下稱“創(chuàng)新工場”），在實(shí)驗(yàn)室能源材料領(lǐng)域相關(guān)團(tuán)隊(duì)和公共技術(shù)平臺(tái)的支持下，為新能源行業(yè)提供技術(shù)服務(wù)。兩年多來，創(chuàng)新工場已匯聚了廣汽埃安新能源汽車股份有限公司、欣旺達(dá)電子股份有限公司等近20家理事單位，部分企業(yè)還來到松山湖設(shè)立研發(fā)中心，新帶動(dòng)了200多名工程師入駐松山湖。

在黃學(xué)杰和團(tuán)隊(duì)的努力下，一種新能源材料科技成果產(chǎn)業(yè)化的新范式正逐漸成形——“打造松山湖能源谷，期待聚集萬名新能源研發(fā)工程師，歡迎更多的新能源企業(yè)加入。”

■■■第三代鋰離子電池如何煉成？■■■

走進(jìn)創(chuàng)新工場鋰離子電池材料中試實(shí)驗(yàn)室，幾千個(gè)紐扣電池樣品、上千個(gè)軟包電池樣品正日夜不停地進(jìn)行充放電，此起彼伏的紅綠光點(diǎn)不停閃爍，以測試電極材料的技術(shù)性能。

這些測試電池中，大部分正極材料是鎳錳酸鋰，可用于最具商業(yè)化潛力的第三代鋰離子電池，成為新能源汽車的動(dòng)力源，也可望用于戶用儲(chǔ)能電池。

隨著電動(dòng)汽車進(jìn)入億輛時(shí)代，一場對(duì)化石能源的革命正進(jìn)入高潮。新能源已成為推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型的主力。目前新能源技術(shù)仍處于加速變革期，其中材料革新是新能源技術(shù)變革的核心和基礎(chǔ)。動(dòng)力電池的成本占新能源電動(dòng)汽車成本的50%左右，而鋰離子電池中，材料不僅決定了電池的性能，也占電池成本的50%以上。

“要讓電動(dòng)汽車充電速度更快、充滿電后跑得更遠(yuǎn)、售價(jià)更低，主要依賴于電池材料的變革?！秉S學(xué)杰介紹，十多年前，第一代的錳酸鋰電池讓電動(dòng)汽車批量進(jìn)入市場，能量密度提升后的第二代磷酸鐵鋰和三元電池技術(shù)成為當(dāng)今的市場主流。

黃學(xué)杰帶領(lǐng)的鋰離子電池材料團(tuán)隊(duì)，正在推進(jìn)以關(guān)鍵材料革新帶動(dòng)的第三代鋰離子電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這支70多人的團(tuán)隊(duì)以中科院物理所培養(yǎng)的科研人員為骨干，也不乏海外歸來的科學(xué)家，甚至還有從企業(yè)“挖”來的專家。經(jīng)過四年多的努力，他們成功攻克了第三代動(dòng)力電池正極材料及其在電池上的應(yīng)用技術(shù)。

正極材料主要決定了電池的成本及能量密度，目前，團(tuán)隊(duì)以高電壓鎳錳酸鋰正極材料和行業(yè)通用技術(shù)結(jié)合，石墨負(fù)極材料、電解液和隔膜基本不變，推出了第三代高電壓鎳錳酸鋰電池。相比目前占主流的二代普及型磷酸鐵鋰電池，第三代高電壓鎳錳酸鋰電池能量密度提升約50%，達(dá)到600瓦時(shí)/升，而每千瓦時(shí)電池的成本反而能降低30%。

此外，團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出了新一代的合金負(fù)極材料，與傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料相比，具有高5倍以上的比容量、快充性能優(yōu)等特點(diǎn)。結(jié)合高能量密度鎳酸鋰基正極材料，團(tuán)隊(duì)正在研制比能量為1000瓦時(shí)/升的動(dòng)力電池，在二代高端型三元?jiǎng)恿﹄姵氐幕A(chǔ)上提升了50%的能量密度，單位瓦時(shí)成本預(yù)期也將明顯降低，“三元電池將來也有升級(jí)版”。

通過三年多的研發(fā)，目前第三代鋰電池材料技術(shù)已經(jīng)成熟。去年開始，團(tuán)隊(duì)著手進(jìn)行動(dòng)力電池的中試，預(yù)計(jì)明年將在部分車企率先使用。

第三代鋰電池材料在價(jià)格、性能上的優(yōu)勢，將為新能源汽車產(chǎn)業(yè)帶來質(zhì)變。對(duì)此，黃學(xué)杰充滿信心：“早在5年前我們就做出判斷，到2025年前后，電動(dòng)汽車將在性能和經(jīng)濟(jì)性等方面全面超越燃油車?！?/p>

■■■讓科技成果轉(zhuǎn)化無縫銜接■■■

數(shù)據(jù)顯示，2022年廣東省新能源汽車總產(chǎn)量接近130萬輛，同比增長約140%，約占全國總產(chǎn)量18%。這意味著全國每6輛新能源汽車有一輛是廣東造，每分鐘便有約2.4輛新能源汽車駛下生產(chǎn)線。在鋰電池制造上，珠三角更是占據(jù)了全國總產(chǎn)量的一半。

廣闊而優(yōu)良的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，為科研成果的產(chǎn)業(yè)化提供了土壤。但同時(shí)，行業(yè)慣性、創(chuàng)新成本、技術(shù)的不確定性，也束縛著一些企業(yè)的手腳，讓它們“不敢”“不愿”創(chuàng)新。

以鋰離子電池材料團(tuán)隊(duì)面臨的情況來說，雖然已研發(fā)出了三代電池材料，但動(dòng)力電池生產(chǎn)對(duì)穩(wěn)定性要求較高，目前行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的仍是二代電池，企業(yè)對(duì)引入全新的主要材料和改變部分工藝存有顧慮。

為了讓企業(yè)適應(yīng)新技術(shù)、增加變革信心，黃學(xué)杰的團(tuán)隊(duì)已開始幫助企業(yè)先走半步，即先將三代電池的部分材料技術(shù)運(yùn)用到二代電池上，使得二代電池的能量密度提升10%—20%，成本降10%左右。

二代升級(jí)、三代研發(fā)“兩條腿”走路，黃學(xué)杰將產(chǎn)業(yè)化的過程形容為：“不能只盯著做高級(jí)蛋糕，饅頭也可以加上糖心升級(jí)。”

在他看來，實(shí)驗(yàn)室搭建了一段“鐵索橋”，做了中試工作，把科研成果往產(chǎn)業(yè)化方向推了一大步，但中試技術(shù)離大規(guī)模生產(chǎn)仍存在距離?！耙酝o企業(yè)送去好材料，常常是幾個(gè)月都沒有下文。受困于試驗(yàn)中的技術(shù)、工藝適應(yīng)等問題，產(chǎn)品研發(fā)人員一旦遇到困難就難以繼續(xù)研究測試工作?！?/p>

“新一代動(dòng)力電池要請(qǐng)企業(yè)同行去做大規(guī)模生產(chǎn)?！秉S學(xué)杰知道，如果沒有能做出好電池的企業(yè)合力推進(jìn)，那么研發(fā)出前景再好的材料也不能發(fā)揮大作用。

如何進(jìn)一步打通科研與產(chǎn)業(yè)化的通道？開放研發(fā)資源、搭建行業(yè)服務(wù)平臺(tái)，成為實(shí)驗(yàn)室的破題之道。2021年1月，瞄準(zhǔn)新能源創(chuàng)新生態(tài)建設(shè)這一終極目標(biāo)，創(chuàng)新工場應(yīng)運(yùn)而生。自誕生之日起，創(chuàng)新工場便“野心勃勃”——聯(lián)合新能源產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、科研院所及投資機(jī)構(gòu)等社會(huì)力量，搭建起資源共享和合作創(chuàng)新的平臺(tái)。

“我們邀請(qǐng)企業(yè)同實(shí)驗(yàn)室合作，在松山湖建設(shè)研究機(jī)構(gòu)，派駐大批工程師。依托材料實(shí)驗(yàn)室的科研設(shè)備，各企業(yè)可先在中試生產(chǎn)線上做研發(fā)，同時(shí)建設(shè)試驗(yàn)生產(chǎn)線出產(chǎn)品。我們的研究人員和工程師一同解決問題，共同做好成品電池。成品通過客戶驗(yàn)證后，工程師再把技術(shù)、人才和客戶帶回企業(yè)，這樣進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的阻力也就小了。”黃學(xué)杰說，“這是真正的無縫銜接”。

■■■形成開放生態(tài)走向全球市場■■■

“參觀當(dāng)天我們就決定加入創(chuàng)新工場，希望能跟隨松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的腳步共同進(jìn)步！”再憶起與創(chuàng)新工場結(jié)緣的經(jīng)過，常州市納科諾爾精密軋制設(shè)備有限公司（下稱“諾爾精密”）總經(jīng)理付博昂用“震撼”形容。

作為國內(nèi)鋰電行業(yè)輥壓機(jī)龍頭企業(yè)負(fù)責(zé)人，去年12月，付博昂受邀參觀創(chuàng)新工場，覆蓋全、數(shù)量多的項(xiàng)目讓他印象深刻，“這里注重研發(fā)、凝聚力強(qiáng)，行業(yè)先導(dǎo)性特點(diǎn)顯著”。

對(duì)于諾爾精密來說，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的“加分項(xiàng)”還在于優(yōu)秀科學(xué)家的前沿想法。對(duì)于企業(yè)來說，實(shí)驗(yàn)室的“外腦”助力無疑是“雪中送炭”。“沒想到關(guān)注技術(shù)突破的科研機(jī)構(gòu)，還會(huì)如此重視產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化?！备恫┌赫f。

今年，他們還將增派工程師中的精兵強(qiáng)將駐點(diǎn)，基于鋰電前段產(chǎn)線的設(shè)備進(jìn)行工藝升級(jí)探索，“希望在研發(fā)迭代模式下，兩年內(nèi)轉(zhuǎn)化更好的項(xiàng)目并投入市場，對(duì)此我們滿懷信心?！备恫┌赫f。

鋰離子電池材料團(tuán)隊(duì)“走出去”“請(qǐng)進(jìn)來”，包括諾爾精密在內(nèi)，已有8家企業(yè)將其產(chǎn)品研究院落地松山湖，已派駐了200多名工程師，圍繞第三代電池進(jìn)行各自定制化的成果轉(zhuǎn)化和中試工作。

“好比大學(xué)里，學(xué)生們都躲在宿舍晚自習(xí)的效果肯定不好，聚在圖書館里大家可以相互學(xué)習(xí)、激發(fā)思路?！本拖袢A為在松山湖集聚了萬名研發(fā)人員一樣，創(chuàng)新工場希望今年能聚集千名新能源領(lǐng)域工程師，到2030年這一數(shù)量能達(dá)到萬名，“現(xiàn)在不僅電池生產(chǎn)企業(yè)愿意來松山湖，上下游企業(yè)的加入意愿也很強(qiáng)烈，包括電池生產(chǎn)裝備頭部企業(yè)?！?/p>

這些天，黃學(xué)杰忙著準(zhǔn)備5月的第十五屆中國深圳國際電池技術(shù)交流會(huì)/展覽會(huì)。在這場代表全球電池產(chǎn)業(yè)風(fēng)向標(biāo)、匯集2400多家全球電池界展商的盛會(huì)上，他將向企業(yè)家、行業(yè)科學(xué)家介紹第三代鋰離子電池技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用的最新進(jìn)展。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還在推動(dòng)一個(gè)國際合作項(xiàng)目，為汽車主機(jī)廠提供技術(shù)，就近配套本地化供應(yīng)需求。

“我們努力形成一個(gè)開放的生態(tài)，共同推動(dòng)第三代動(dòng)力電池走向全球市場?！秉S學(xué)杰說。