松山湖材料实验室四大核心板块初具规模

松山湖材料实验室四大核心板块初具规模

 

“在科技成果向产业化转移的‘死亡谷’上架起一座铁索桥。”走进松山湖材料实验室，这句话便跃入视野。

 

这个位于大湾区综合性国家科学中心先行启动区东莞松山湖科学城的广东省实验室，于上个月迎来揭牌成立五周年，新园区正式投入使用。五年来，实验室队伍发展到超过1000人，四大核心板块初具规模，成功布局十大科学研究方向，探索实践出一套科研成果产业转化体制机制。

 

五年前，乘着大湾区建设的东风，来自中科院、北京大学等院校的材料科学家们走向产业一线。松山湖材料实验室副主任、锂离子电池材料团队负责人黄学杰正是其中一员。

 

黄学杰在中科院物理所从事锂电池材料研究已有30余年。如今，他的工作更多是与新能源行业的企业家、工程师们打交道，推动其研发的第三代锂离子电池材料走出实验室，进入电池车间的生产线，支持电池企业提升产品竞争力，让研究成果实现产业化。

 

2021年1月，松山湖材料实验室发起成立能源材料与器件创新工场（下称“创新工场”），在实验室能源材料领域相关团队和公共技术平台的支持下，为新能源行业提供技术服务。两年多来，创新工场已汇聚了广汽埃安新能源汽车股份有限公司、欣旺达电子股份有限公司等近20家理事单位，部分企业还来到松山湖设立研发中心，新带动了200多名工程师入驻松山湖。

 

在黄学杰和团队的努力下，一种新能源材料科技成果产业化的新范式正逐渐成形——“打造松山湖能源谷，期待聚集万名新能源研发工程师，欢迎更多的新能源企业加入。”

 

走进创新工场锂离子电池材料中试实验室，几千个纽扣电池样品、上千个软包电池样品正日夜不停地进行充放电，此起彼伏的红绿光点不停闪烁，以测试电极材料的技术性能。

 

这些测试电池中，大部分正极材料是镍锰酸锂，可用于最具商业化潜力的第三代锂离子电池，成为新能源汽车的动力源，也可望用于户用储能电池。

 

随着电动汽车进入亿辆时代，一场对化石能源的革命正进入高潮。新能源已成为推动全球能源转型的主力。目前新能源技术仍处于加速变革期，其中材料革新是新能源技术变革的核心和基础。动力电池的成本占新能源电动汽车成本的50%左右，而锂离子电池中，材料不仅决定了电池的性能，也占电池成本的50%以上。

 

“要让电动汽车充电速度更快、充满电后跑得更远、售价更低，主要依赖于电池材料的变革。”黄学杰介绍，十多年前，第一代的锰酸锂电池让电动汽车批量进入市场，能量密度提升后的第二代磷酸铁锂和三元电池技术成为当今的市场主流。

 

黄学杰带领的锂离子电池材料团队，正在推进以关键材料革新带动的第三代锂离子电池实现产业化。这支70多人的团队以中科院物理所培养的科研人员为骨干，也不乏海外归来的科学家，甚至还有从企业“挖”来的专家。经过四年多的努力，他们成功攻克了第三代动力电池正极材料及其在电池上的应用技术。

 

正极材料主要决定了电池的成本及能量密度，目前，团队以高电压镍锰酸锂正极材料和行业通用技术结合，石墨负极材料、电解液和隔膜基本不变，推出了第三代高电压镍锰酸锂电池。相比目前占主流的二代普及型磷酸铁锂电池，第三代高电压镍锰酸锂电池能量密度提升约50%，达到600瓦时/升，而每千瓦时电池的成本反而能降低30%。

 

此外，团队还研发出了新一代的合金负极材料，与传统石墨负极材料相比，具有高5倍以上的比容量、快充性能优等特点。结合高能量密度镍酸锂基正极材料，团队正在研制比能量为1000瓦时/升的动力电池，在二代高端型三元动力电池的基础上提升了50%的能量密度，单位瓦时成本预期也将明显降低，“三元电池将来也有升级版”。

 

通过三年多的研发，目前第三代锂电池材料技术已经成熟。去年开始，团队着手进行动力电池的中试，预计明年将在部分车企率先使用。

 

第三代锂电池材料在价格、性能上的优势，将为新能源汽车产业带来质变。对此，黄学杰充满信心：“早在5年前我们就做出判断，到2025年前后，电动汽车将在性能和经济性等方面全面超越燃油车。”

 

数据显示，2022年广东省新能源汽车总产量接近130万辆，同比增长约140%，约占全国总产量18%。这意味着全国每6辆新能源汽车有一辆是广东造，每分钟便有约2.4辆新能源汽车驶下生产线。在锂电池制造上，珠三角更是占据了全国总产量的一半。

 

广阔而优良的产业基础，为科研成果的产业化提供了土壤。但同时，行业惯性、创新成本、技术的不确定性，也束缚着一些企业的手脚，让它们“不敢”“不愿”创新。

 

以锂离子电池材料团队面临的情况来说，虽然已研发出了三代电池材料，但动力电池生产对稳定性要求较高，目前行业大规模生产的仍是二代电池，企业对引入全新的主要材料和改变部分工艺存有顾虑。

 

为了让企业适应新技术、增加变革信心，黄学杰的团队已开始帮助企业先走半步，即先将三代电池的部分材料技术运用到二代电池上，使得二代电池的能量密度提升10%—20%，成本降10%左右。

 

二代升级、三代研发“两条腿”走路，黄学杰将产业化的过程形容为：“不能只盯着做高级蛋糕，馒头也可以加上糖心升级。”

 

在他看来，实验室搭建了一段“铁索桥”，做了中试工作，把科研成果往产业化方向推了一大步，但中试技术离大规模生产仍存在距离。“以往给企业送去好材料，常常是几个月都没有下文。受困于试验中的技术、工艺适应等问题，产品研发人员一旦遇到困难就难以继续研究测试工作。”

 

“新一代动力电池要请企业同行去做大规模生产。”黄学杰知道，如果没有能做出好电池的企业合力推进，那么研发出前景再好的材料也不能发挥大作用。

 

如何进一步打通科研与产业化的通道？开放研发资源、搭建行业服务平台，成为实验室的破题之道。2021年1月，瞄准新能源创新生态建设这一终极目标，创新工场应运而生。自诞生之日起，创新工场便“野心勃勃”——联合新能源产业链上下游企业、科研院所及投资机构等社会力量，搭建起资源共享和合作创新的平台。

 

“我们邀请企业同实验室合作，在松山湖建设研究机构，派驻大批工程师。依托材料实验室的科研设备，各企业可先在中试生产线上做研发，同时建设试验生产线出产品。我们的研究人员和工程师一同解决问题，共同做好成品电池。成品通过客户验证后，工程师再把技术、人才和客户带回企业，这样进行大规模生产的阻力也就小了。”黄学杰说，“这是真正的无缝衔接”。

 

“参观当天我们就决定加入创新工场，希望能跟随松山湖材料实验室的脚步共同进步！”再忆起与创新工场结缘的经过，常州市纳科诺尔精密轧制设备有限公司（下称“诺尔精密”）总经理付博昂用“震撼”形容。

 

作为国内锂电行业辊压机龙头企业负责人，去年12月，付博昂受邀参观创新工场，覆盖全、数量多的项目让他印象深刻，“这里注重研发、凝聚力强，行业先导性特点显著”。

 

对于诺尔精密来说，松山湖材料实验室的“加分项”还在于优秀科学家的前沿想法。对于企业来说，实验室的“外脑”助力无疑是“雪中送炭”。“没想到关注技术突破的科研机构，还会如此重视产业转化。”付博昂说。

 

今年，他们还将增派工程师中的精兵强将驻点，基于锂电前段产线的设备进行工艺升级探索，“希望在研发迭代模式下，两年内转化更好的项目并投入市场，对此我们满怀信心。”付博昂说。

 

锂离子电池材料团队“走出去”“请进来”，包括诺尔精密在内，已有8家企业将其产品研究院落地松山湖，已派驻了200多名工程师，围绕第三代电池进行各自定制化的成果转化和中试工作。

 

“好比大学里，学生们都躲在宿舍晚自习的效果肯定不好，聚在图书馆里大家可以相互学习、激发思路。”就像华为在松山湖集聚了万名研发人员一样，创新工场希望今年能聚集千名新能源领域工程师，到2030年这一数量能达到万名，“现在不仅电池生产企业愿意来松山湖，上下游企业的加入意愿也很强烈，包括电池生产装备头部企业。”

 

这些天，黄学杰忙着准备5月的第十五届中国深圳国际电池技术交流会/展览会。在这场代表全球电池产业风向标、汇集2400多家全球电池界展商的盛会上，他将向企业家、行业科学家介绍第三代锂离子电池技术研发、应用的最新进展。同时，团队还在推动一个国际合作项目，为汽车主机厂提供技术，就近配套本地化供应需求。

 

“我们努力形成一个开放的生态，共同推动第三代动力电池走向全球市场。”黄学杰说。（南方日报 南方+）