【项目名片】

人物名片：

 

郭孝东，四川大学化学工程学院副院长、教授

 

 

四川大学化学工程学院副院长、教授郭孝东（受访者供图）

 

获奖情况：

 

2021年度四川省科学技术进步奖一等奖

 

获奖项目：

 

动力电池用高能量密度、高稳定性镍基三元正极材料制备技术及关键装备

 

项目点击：

 

针对镍基三元正极材料亟待解决的关键技术难点，组成产学研用项目团队，历时十余年，在多个国家/省部级重点项目等各类项目支持下，从基础研究到产业化进行了系统创新。突破了高端镍基三元正极材料制备这一“卡脖子”技术难题，项目成果总体居于国际先进，其中高温稳定性达到国际领先水平。

四川在线记者 徐莉莎 李强

13年前，大半生致力于磷化工研究的四川大学化学工程学院（简称“化工学院”）教授钟本和，做了一个重要的决定——基于新能源发展需求和50余年积累的技术优势，新开磷酸铁锂电池的研究方向。

动力电池是新能源汽车的心脏。那是2009年，新能源汽车还处在示范和推广的初期。那时的钟本和团队已经突破我国磷化工发展共性关键技术，开创我国磷肥工业新途径，引领中国近几十年磷化工行业发展。

四川大学化学工程学院教授、博士生导师钟本和，国内磷化工领域泰斗。摄影 李强

在72岁高龄新建团队、新开方向，在不少人眼中，是极其冒险的决定。

13年后，冒险的“种子”逐渐生根发芽、开花结果——3月25日，四川省科学技术奖励大会上，她和郭孝东带领的团队，在高能量密度、高稳定性动力电池正极材料上的研究成果，突破我国锂电行业的“卡脖子”技术，获得四川省科学技术进步一等奖。

突破“卡脖子”技术，缓解你的电车续航焦虑

“你们听过最近的‘妖镍’行情吗？”走到实验室的路上，郭孝东团队成员、化工学院副研究员吴振国提起3月国际金融市场上的“史诗级逼空”事件。

郭孝东团队成员、四川大学化学工程学院副研究员吴振国。摄影 李强

受国际局势影响，今年2月，小众金属“镍”在伦敦金属交易所的价格两个交易日累计大涨250%，刷新了历史纪录，被戏称为“妖镍”行情。

“我们的研究就与镍密切相关。”吴振国说。

电动汽车“遍地开花”，但安全焦虑和续航里程焦虑始终萦绕。高能量密度、高稳定性的动力电池技术，是治愈新能源汽车行业“阿喀琉斯之踵”的关键突破口。

郭孝东告诉记者，影响电动车续航里程的关键因素电池能量密度，取决于正负极材料。目前负极材料能量密度已接近其理论极限；正极材料中，酸铁锂电池和三元锂电池为市场主流，占动力电池出货量的九成以上。

镍盐就是三元正极材料的“主角”之一，起到提升电池能量密度的作用。如今，三元锂电池的趋势就是高镍化。镍基三元正极材料，成为实现高能量密度动力电池的关键。

但是，与磷酸铁锂相比，被寄予厚望的“宠儿”也有先天不足，存在稳定性差、规模化制备难度大等技术瓶颈。高端的镍基三元正极材料被日韩垄断，属于我国锂电行业的“卡脖子”技术。

团队成员正在进行相关实验。摄影 李强

在钟本和与郭孝东的带领下，学院针对镍基三元正极材料亟待解决的关键技术难点，组成产学研用项目团队，进行了长达10余年的跋涉。

影响动力电池正极材料性能的关键，是材料体系的设计。郭孝东说，要让多种元素在其中协同稳定、形成有序的颗粒结构。他们设计的多元素协同稳定组成体系及径向有序二次颗粒结构，消除了锂、镍原子混排等导致稳定性差的不利因素，降低了镍基三元正极和电解液之间的副反应。

高温稳定性是影响动力电池安全和稳定的核心指标，也是高镍三元正极材料的痛点。钟本和透露，团队所设计镍基三元正极高温（45℃）1C/1C循环1200周容量保持率≥80%，达到国际领先水平。

产学研结合，成果转化产值超过15亿

新开动力电池方向不过十余年，团队何以迅速取得系列成果？

郭孝东认为，面向国家重大需求，产学研结合是关键。“在实验室制备和工业化生产大不相同。”

因此在项目研究之处，他们就集合了省内外的重点企业，围绕“材料体系—生产工艺—关键装备”从基础研究到产业化进行了系统创新。

在生产工艺上，团队把传统的间歇法改成了连续法生产。用专业术语来说，这是一种名为前驱体连续稳态结晶及“锂化-包覆-掺杂”一体化工艺。

实验室里，团队成员正在研究材料器件。摄影 李强

“这是提升电池稳定性的关键之一”，郭孝东说，间歇法就好比用同一口锅做饭，每锅饭用水用米、控制条件很难做到完全一致，因而产品也很难保持一致性。

连续法则是通过改进工艺流程和设备，保持控制条件稳定，不断进料、生产、出品，保证上万吨产品的一致性，成功解决了连续化工艺中前驱体粒度小、粒径分布宽、批次稳定性差等问题。

另一大创新则是装置上，他们创制了新型向心流前驱体反应釜。反应釜是承载物理或化学反应的容器，这个新型反应釜就是为了适应连续法生产创新的设备。

郭孝东介绍，过去采用间歇法，用多个反应釜同时生产。在连续法下，新型反应釜扩大了容积，也提高了生产效率和产品稳定性。同体积向心流反应釜生产效率，相较常规三斜桨反应釜提升超过3倍。颗粒离散度是衡量产品批次稳定性的关键指标，新型反应釜出品的正极材料颗粒离散度降低了50%。

通过产学研结合，团队的基础研究成果在两家合作企业中迅速转化实施，分别建成年产5000吨镍基三元正极和年产1万吨前驱体产线，累计销量超2万吨，产值逾15亿元。产品客户包括宁德时代、星恒电源、鹏辉电源等电池行业头部企业。项目产品累积装车20万辆，每年降低尾气排放过万吨。

延伸阅读：

退役的锂电池，也许修修还能用

拆解回收是目前退役锂电池回收的主要现行途径，其中湿法回收的商业化程度最高。通过酸碱溶液溶解磷酸铁锂电池中的金属离子，进一步利用沉淀、吸附等方式将溶解的金属离子以氧化物、盐等形式提取出来，成为原料再重新制造。

郭孝东说，这一路径目前的痛点是货源和进一步降低回收成本。

郭孝东团队所走的路线是修复，理论上来看，流程更短、效率更高。目前，团队主要从化工角度，对退役锂电池修复进行研究。这当中涉及多学科技术，最基础的就是电池状态分析，这些需要通过学科交叉来完成。

至于效果，他说，这很难做到性能超越新换电池，但有望努力做到和它一样。