长沙晚报全媒体记者 徐运源 通讯员 李畅
【研发名片】
国家能源金属资源与新材料重点实验室由中南大学牵头，联合12家企业合作组建，面向我国新能源产业链与供应链安全稳定的重大战略需求，以建设国际一流的新能源战略金属资源与新材料保障技术研发创新平台为目标，在新能源战略金属资源高效提取、新能源二次资源循环利用、先进能源转换材料和先进电化学储能材料四个重点方向开展原始创新和关键技术突破，为“双碳”战略实施、能源产业链供应链自主可控等提供保障。
当前，一公斤重的锂离子电池最多储存0.3千瓦时电，但一公斤重的锂金属电池可望储存超过0.6千瓦时电，电池能量密度大大提升。换句话说，未来用上相同重量锂金属电池的汽车，充一次电可跑里程增加1倍，达到1000公里将成为可能。
为了实现这一目标，中南大学冶金与环境学院教授、国家能源金属资源与新材料重点实验室主任赖延清和团队“豁出去了”。
“最近在跟校友谈合作，他出资逾1000万元，我们团队出资300多万元，计划在长沙建中试基地推动实现产业化，一旦做成就是颠覆性的了。”近日，赖延清接受记者采访时说。
逆向创新，突破电池能量密度不足瓶颈
当前，最主流的电池非锂离子电池莫属，它已广泛应用于手机、电脑、新能源汽车等领域，但能量密度不足仍然限制了更多场景需求。
能量密度是什么？赖延清介绍，通俗地讲，就是一公斤电池能装电的瓦时数，目前主流的磷酸铁锂电池是180瓦时每公斤，也就是每公斤电池能装0.18千瓦时的电，能量密度更好的三元锂电池，大概每公斤能装0.25千瓦时的电，不会超过0.3千瓦时。
说到这里，赖延清给记者讲了一个故事。
锂电池早就发明应用，不过最开始叫锂金属电池，也就是用金属锂做电池的负极材料，但当时在手机上应用接连发生了多起爆炸事故，导致几家研发生产公司倒闭。
1991年，科学家提出了采用石墨材料的碳负极取代原先的金属锂负极，制作而成的锂离子电池解决了起火爆炸的问题。
经过几十年的发展，锂离子电池应用场景大大扩展，同时能量密度也达到了“天花板”。捅破天花板，把负极材料给换掉，是进一步提高电池能量密度的技术路线之一。
在所有负极材料中，能量密度最高的还得算金属锂，其理论容量是现有石墨负极材料的10倍多。优势摆在这里，但是当年易起火爆炸的问题必须解决。
锂金属电池之所以会起火爆炸，原因就在于充放电一段时间后，负极上会长出很多毛刺（即“锂枝晶”），刺穿中间的隔膜，造成正负极短路。
“我们发明了一种多孔碳碳球，像我们常吃的麻球，只不过麻球是把芝麻点缀在外表面，碳球把‘芝麻’点缀在内表面。通过这种独特的结构，可使锂在碳球内部生长，不再长枝晶，从而解决起火爆炸等难题。”赖延清说。
经过团队持续四五年的钻研攻关，目前该项研究已能在实验室制作出几十毫克的样品，而用其制作的锂金属电池性能也符合预期。
“不少企业在开发高能量密度的电池，找到我们急切需要安全可靠的金属锂负极材料，下一步我们需要加快实现产业化，从一次性产出几十毫克到产出几公斤，甚至上吨。通过近期多次与校友和有关单位洽谈，有望很快落地。”赖延清信心满满地说。
成本高和不够安全等痛点正在破解
在赖延清看来，能量密度不足、成本高和不够安全，是当前锂离子电池面临的三大痛点。他带领团队聚力攻关，均取得突破。
在新能源汽车上，电池的成本占到30%至50%。相比新能源汽车，未来新型储能电站需要用到更多的电池，电池降成本更加重要。赖延清和团队围绕钠离子电池正极、负极和电解液材料等持续研究。目前，已在位于宁乡的湖南钠邦新能源有限公司建成钠离子电池正极材料中试生产线。
关于成本，一组数据最为直观：钠离子电池正极材料碳酸钠一吨只需5000元左右，而且资源丰富；锂离子电池正极材料碳酸锂一吨需要10万元左右，价格最高时曾超过60万元一吨，而且我国资源难提取。
“钠离子电池性能接近锂离子电池水平，成本又接近铅酸电池水平，所以是下一代低成本高性能电池的代表。用它替代锂离子电池应用在储能和小动力等场景中，对资源保障有着重要意义。”赖延清说。
每年夏天，新能源汽车起火燃烧的事故时有发生，未来这种情况将减少。这背后是全世界都在抢占固体电池新赛道。
正极材料、负极材料和电解液是锂离子电池的三大主材，正极材料含氧，电解液可燃，这是电池使用时遇到异常情况会发热起火爆炸的原因之一。对此，国内外将固态电池研究提上日程，期待通过把电解液换成固体电解质或阻燃电解质，以解决电池还不够安全的痛点。
“国外一门心思在研究固态电池，如果他们先搞出来了，我们的新能源汽车优势产业又会被‘卡脖子’，所以要有紧迫感。”赖延清说。
赖延清和团队持续发力，在阻燃凝胶电解质的研发方面已经取得突破，用该材料生产的阻燃凝胶电池，既提高了安全性能，其他性能又不下降，而且与锂离子电池当前制造工艺高度兼容，成果在校友的投资下也已进入中试阶段。
“最终要实现的，就是通过我们研发的关键材料，让各行各业用上低成本、高安全、高能量密度电池产品，为我国的新能源产业链与供应链安全作出贡献。”赖延清说。
【研发者说】
“习近平总书记在湖南考察时指出，加快科技成果向现实生产力转化。我们学校和实验室的比较优势就在于成果转化。一方面要专注于基础研究不断开发新的成果，另一方面也要发挥强项推动实验室的成果在省内转化落地，这也是打造科技创新高地、发展新质生产力非常重要的内容。因此，我建议加大对本土中小科技型企业的扶持力度，将‘前沿科技种子’培育成新兴产业的‘参天大树’。” ——赖延清
走进长沙新设研发机构50强系列报道之二
