《中国煤化工产业已是全球领先?》

  • 来源专题:宁夏重点产业科技信息服务
  • 编译者: 刘 悦
  • 发布时间:2025-09-28
  • 2025年6月份,宝丰能源投资673亿元建设的全球最大单体煤制烯烃项目投产,该项目位于内蒙古,以年产300万吨烯烃的规模刷新全球纪录。随着全球化工产业的快速发展,中国煤化工产业投资力度和规模在快速增长,中国煤化工产业或将再次创造全球性的“高光时刻”。 图1 宝丰能源全球单厂规模最大煤制烯烃项目 图片来源:内蒙古卫视 为什么中国仍在大力发展煤化工?最近中国煤化工产业有哪些世界性壮举?中国煤化工产业目前在全球化工产业中处于怎样位置?为了能够准确把握中国煤化工产业发展方向和趋势,本文笔者将梳理中国煤化工产业现状。 一、中国煤化工产业发展历程 1925年石家庄建成第一座机械化焦化厂,专为汉冶炼铁厂提供焦炭,这标志着中国煤炭从燃料向工业原料的转化,是中国第一个煤化工项目。1934年上海建成拥有直立式干馏炉的煤气厂,首次实现城市煤气供应。1953年大连化工厂建成首个合成氨厂,采用无烟块煤替代焦炭生产原料气,开创了中国煤基氮肥工业的先河。1950-1970年代,依托苏联援建项目,山西、辽宁等地建立了以炼焦、合成氨为主的煤化工基地,形成了从煤炭气化到化学品生产的较完整链条。 1980年代,鲁南化肥厂引进德国鲁奇气化炉,建成国内首套大型煤制甲醇装置,推动煤炭向基础化工原料转化。1997年中国科学院山西煤化所启动浆态床费托合成技术研发,通过国家“863计划”支持,在实验室完成千吨级中试,为后续产业化奠定基础。2006年兖矿集团陕西榆林100万吨/年煤间接液化项目启动,拉开现代煤化工产业化序幕。2009年神华鄂尔多斯108万吨/年直接液化项目试车成功,成为全球首个百万吨级煤直接液化装置。2016年神华宁煤400万吨/年间接液化项目投产,单套规模全球最大。 2010年,神华包头60万吨/年煤制烯烃项目采用中国科学院大连化物所DMTO技术,实现全球首套百万吨级MTO工业化应用。2016年,中天合创360万吨/年甲醇制烯烃项目投产,成为当时全球最大煤基烯烃工程。2016年之后,中国煤化工产业步入“提质增效”阶段,煤化工技术也在此阶段得到了长足进步。 中国煤化工产业发展已有近100年时间,从最初的粗犷式发展,到现在全球领先的煤化工产业集群,中国用百年时间完成了从受限式引进到技术跟跑,再到全球引领的蜕变。 图2 中国煤化工发展历程 二、中国发展煤化工有哪些战略方面意义? 中国是一个“富煤缺油少气”的国家,不平衡的能源结构是发展煤化工的重要战略考虑之一。除此之外,中国发展煤化工,还有其他更深层次的战略意义。 1、煤化工是中国能源安全的“压舱石” 中国原油对外依存度长期超过70%,2024年进口原油耗资达2.3万亿元。而煤化工通过煤制油、煤制气等技术,将煤炭转化为清洁燃料,成为能源自主的“战略底牌”。煤制油降低了对石油制备成品油的依赖,煤制气降低了对天然气的依赖,而煤制乙二醇降低了对乙烯的依赖。另外,随着技术的进步和发展,煤制芳烃、煤氢耦合、二氧化碳深加工技术陆续突破,煤化工有望在“双碳”目标下实现绿色化与高端化的再升级。 中国煤炭是一次能源消费的重要化石资源,煤炭占中国一次能源消费的56%,中国通过煤化工发展,可将“燃料煤”转化为“原料煤”,减少对进口油气的路径依赖,对中国能源安全具有重要意义。 2、煤炭清洁利用新模式正在影响全球化工结构 传统煤炭燃烧的热值利用率不足40%,而煤化工可将吨煤价值提升7倍,煤制油、煤基烯烃等路径,将煤炭转化为高端润滑油、航空燃料等百余种高附加值产品,推动产业从“卖炭”向“卖材料”转型。 中国已掌握全球领先的煤间接液化成套技术,攻克37项关键工艺,实现大型气化炉、费托合成反应器等装备国产化,已形成多条“碳基新材料产业链”。 3、煤化工是解决中国区域间不平衡的重要推手 中国沿海城市拥有丰富海洋资源,进口成本较低,资源流动性较强,过去数十年更多集中在沿海城市发展。而西北城市拥有丰富煤炭资源,通过发展煤化工,宁夏、新疆等煤炭富集区通过实现了经济结构优化,促进了基础设施建设和就业,带动设备制造、工程服务等关联产业升级。如神华宁煤煤制油项目带动宁夏煤化工产业集群发展,被习总书记评价为“促进民族地区发展的重大成果”。 4、煤化工让中国化工产业链更安全 现阶段中国存在大量乙烯、丙烯、乙二醇、天然气、聚乙烯等产品的进口情况,中国乙烯进口依存度最高超过80%,而这些可以通过发展煤化工,使用煤制烯烃、煤制乙二醇等技术实现国产化替代。 2024年煤制乙烯产能占到了中国总产能的21%,创出历史最高,丙烯产能占到中国总产能的18%,乙二醇占到37%,聚乙烯和聚丙烯分别是19%和18%。过去数年,中国煤化工产业规模在快速增长,煤化工产品的生产比例也在不断增加。 5、中国煤化技术引领全球 中国煤化工技术从引进消化转向自主输出,神华宁煤煤制油技术已向印尼、南非等国输出,推动了“一带一路”能源合作。新疆富油煤分级分质利用技术被纳入国际能源署清洁煤技术路线图,提升了中国在全球能源治理中的话语权。中国煤炭清洁化利用技术领先全球,这一技术突破使低阶煤转化附加值提升3倍,为全球富煤地区资源开发提供了范例。 图3 中国不同产品煤制产能全国占比 数据来源:生意社 三、中国煤化工产品在市场中是否具有竞争力? 笔者看到,过去几年,煤化工技术在不断更新迭代,而某些时间点煤炭价格上涨猛烈,中国煤化工产业产生了较大的市场变化。 2023年开始,国家出台了政策稳定煤炭价格,让中国煤炭市场价格从始终处于低位徘徊,保障了煤化工产业的基本盘。 图4 中国动力煤主流价格走势(元/t) 数据来源:生意社 在这样的背景下,2025年出现了少有的“煤盛油衰”的现象。根据笔者统计数据来看,2025年1-9月份中国煤制乙烯理论利润率到达了13.4%,而油制乙烯仅有6%左右,乙烷裂解乙烯理论利润率也仅有8%。 乙烯是中国化工产业的“晴雨表”,乙烯一定程度上决定了下游产业链的景气程度。煤制乙烯利润超过油制和乙烷制,也说明了煤化工景气度要高于石油化工,产品的盈利水平和市场竞争力也高于石油化工。 图5 中国不同工艺乙烯理论利润率对比 数据来源:生意社 不仅是乙烯,煤制丙烯、油制丙烯和PDH产业亦如此。根据笔者统计数据显示,2025年1-9月份煤制丙烯理论利润率在9%左右,而油制丙烯在1%左右,PDH更是出现了14%亏损,煤制丙烯的利润率最高。 从数据对比来看,丙烯产业链中,煤制丙烯更具竞争力,相应对于下游聚丙烯、丙烯酸、丙烯腈、酚酮等产品来说,煤制也更具竞争力。 图6 中国不同工艺丙烯理论利润率对比 数据来源:生意社 四、中国煤化工行业有哪些世界性壮举? 除了文首列举的宝丰能源全球最大的单体煤制烯烃项目之外,中国煤化工产业,还有不少在全球也具有重大影响力的事件。 首先是煤化工产业中CCUS技术,实现了全球最大规模应用,开辟碳循环新路径。国家能源集团宁夏煤业300万吨/年CCUS示范项目一期于2024年9月建成,成为全球首个实现煤化工与油田驱油全链条贯通的碳捕集项目。该项目每年捕集50万吨二氧化碳,其中40万吨用于长庆油田驱油,同时10万吨用于煤矿井下防灭火,形成“捕集-运输-利用-封存”闭环。项目采用自主研发的胺法捕集技术,吨二氧化碳捕集成本降至280元,领先国际同类项目,为全球煤化工低碳转型提供了“中国方案”。 其次,煤炭分质利用技术突破。新疆陇疆新能源1200万吨/年煤分级分质综合利用项目于2025年6月开工,整合煤干馏、焦油加氢、芳构化等12项核心技术。该项目通过“煤炭热解-焦油深加工-化工新材料”产业链设计,可年产150万吨煤焦油、77万吨LNG和2万吨燃料电池氢气,副产的50万吨液体二氧化碳直接用于驱油。这一技术突破使低阶煤转化附加值提升3倍,为全球富煤地区资源开发提供了范例。 第三,氢能耦合技术规模化落地。大唐多伦15万千瓦风光制氢一体化项目于2025年投产,成为全球首个中大型风光离网制氢深度耦合煤化工项目。该项目利用风电和光伏电解水制氢,每年生产7059万标方绿氢替代灰氢,可增产甲醇2.97万吨,减排二氧化碳13.88万吨。该项目创新采用“风火网储联动”智能调控系统,解决了可再生能源波动性难题,达到了国际领先水平。 第四,中国已成为煤化工产业全球标准制定者。西南油气田公司牵头制定的ISO/TR17910:2024《天然气-煤制合成天然气质量指标及ISO/TC193标准的适应性》于2024年1月发布,成为我国在煤制气国际标准化领域的首个突破。该标准首次将煤制气中氢气、氨、颗粒物等12项关键指标纳入国际体系,解决了煤制气进入跨国管网的技术壁垒。 第五,煤化工下游的高端化突破“卡脖子”技术。陕煤集团榆林化学1500万吨/年煤炭分质转化项目二期于2024年9月开工,重点布局煤基可降解材料PBAT、PBS等,以及电池电解液溶剂DMC、DEC等30余种高端化学品,彻底扭转了我国锂电池电解液依赖进口的局面。另外,兖矿未来能源50万吨/年合成气高温费托项目采用自主研发的钴基催化剂,可生产高碳酯、航空润滑油等特种化学品,产品性能达到埃克森美孚同类标准,填补了国内高端蜡制品的空白。 第六,中国煤化工技术发展驱动了煤化工装备的“大国重器”。沈鼓集团为宝丰能源项目研制的国内首台电驱11万空分压缩机,采用“6+1”超大型轴流加离心压缩机组,标志着我国大型压缩机组国产化率突破。另外,航天长征化学工程公司攻克新疆高氯高碱煤气化技术难题,开发出耐腐蚀性提升3倍的气化炉内衬材料,使煤种适应性覆盖全国90%的煤炭资源,相关技术已应用于中亚、东南亚等5个海外项目。 笔者认为,中国煤化工行业目前已走到世界前列,并且正在深度影响全球煤化工产业格局。随着绿氢耦合、CCUS等技术的持续迭代,中国煤化工产业正从“规模扩张”向“价值创造”跃迁。 图片来源:AI生成 五、中国煤化工行业在全球是怎样的存在? 毋庸置疑,中国已是全球煤化工产业最大的国家,其中包括生产规模最大、技术占比最大、技术输出最大等几个方面。 根据笔者调查了解到,中国煤制烯烃、煤制油、煤制天然气、煤制乙二醇等核心产业,总计规模约占到全球总规模的62%。中国煤制烯烃产能超过3000万吨,约占到全球60%以上规模,预计至2030年将会进一步提升至75%以上,除了单厂规模最大的煤制烯烃外,未来仍有煤制烯烃产业上马。 而煤制油产能也突破1200万吨,约占到全球65%及以上规模,主要聚集在中国新疆、内蒙等省份,对替代油制成品油意义重大。中国煤制天然气产能超过150亿立方米。占到全球60%以上份额,预计2030年将会进一步提升至70%以上份额。代表企业为大唐克旗、新疆庆华等。 根据业内统计,中国煤化工总产值在2025年将会突破3500亿美元,而全球总产值在6000亿元左右,中国成为全球最大的煤化工国家。 中国不仅煤化工产业规模庞大,还有大量技术实现了自主突破。煤制烯烃、煤直接液化、大型汽化炉等关键技术实现自主化,CCUS技术实现规模化应用,绿氢耦合煤化工项目也建成了示范工程,这在全球煤化工技术层面,具有巨大影响力。 中国向哈萨克斯坦输出煤制气技术,向印尼输出CCUS技术,中国主导的煤制烯烃、煤制乙二醇等技术标准逐步被国际认可,技术层面也在不断全球化渗透。中国煤化工行业碳排放强度在快速下降,通过绿氢耦合、风光储一体化项目,探索零碳路径,为全球能源转型提供了范例。中国与荷兰合作的零碳甲醇项目、与纳米比亚合作的绿氨项目,展示了煤化工与可再生能源协同发展的可行性,提升了国际话语权。 笔者认为,中国煤化工从规模化引领、技术输出、市场渗透、竞争放大等维度,已成为全球能源化工格局的核心力量,其影响不仅体现在产能占比和出口份额上,还在不断重塑全球煤化工产业链格局,引领全球技术标准和低碳转型。相信在不久的将来,中国煤化工产业将实现全球化引领,持续为全球能源安全和可持续发展提供中国方案。 
  • 原文来源:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MTU0NzEyMA==&mid=2650360904&idx=3&sn=bdf1ff8e544d67ec13d05c326c2b2627
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    • 2019年诺贝尔化学奖授予了美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。锂电池,这种轻巧且可充电且性能强劲的电池,改变了人们的生活,也为构建一个零化石燃料使用的社会提供了可能。 可有谁能想到,1991年日本第一个将锂离子电池产业化之后却不断萎缩,反倒是中国将这个产业一步一步做到了世界第一。这中间究竟发生了什么?锂离子电池为人类创造了一个新的可充电的世界,而以锂离子电池为基础构建的“电动中国”计划,则正在帮助我们摆脱对化石燃料的依赖。 但是,如今,锂离子电池也面临诸多现实挑战,安全事故时有发生,续航能力有限,能量密度提升已接近上限,锂离子电池未来何去何从?面对固态电池、钠离子电池、氢氧燃料电池等电池新势力,谁才是未来的终极电池? 早在2001年,汽车动力锂电池还不被大家所看好。当选中国工程院院士的陈立泉,向时任863计划电动汽车重大专项负责人万钢请求:“希望能给锂离子电池一个机会。”十年后,他成功地将锂电池材料研究这个曾被边缘化的冷门学科产业化,解决了锂离子电池规模化生产的科学、技术与工程问题,实现了锂离子电池从“中国制造”到“中国智造”的大转变,助推我国锂电池产业从并跑到领跑,实现了对日韩等锂电传统强国的超越。2007年陈立泉荣获国际电池材料协会终身成就奖,他开展的全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池、室温钠离子电池等研究,为开发下一代动力电池和储能电池奠定了基础。 2019年诺贝尔化学奖的获得者分别是Whittingham(斯坦利·惠廷厄姆)Goodenough(约翰·古迪纳夫)以及日本的科学家AkiraYoshino(吉野彰),这三个人的贡献是不一样的。 斯坦利·惠廷厄姆教授,实际上他刚开始是研究超导材料。关于超导材料他没有做什么工作,但是他发现硫化钛这个材料可以制成锂跟硫化钛电池,就是锂作负极。这种电池的安全性比较差,后来因为出了安全事故把一位日本小姐的脸烧了,后来这个公司就停了。 之后约翰·古迪纳夫就合成了一种化合物叫钴酸锂,钴酸锂是一个层状化合物,可以做锂离子电池的锂源,它结构还是稳定的,这是古迪纳夫的贡献。吉野彰看了古迪纳夫1978年的文章以后,就想办法用它去做一种电池。它的负极不用金属锂,而是用碳纤维来做负极,做成这种电池,这种电池后来就叫锂离子电池。 实际上锂离子电池已经改变了世界,改变最大的就是给我们日常生活带来了很多的方便的地方。诺贝尔奖在声明里头就说从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品到电动车和风能、太阳能等大型的储能装置,如今锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的能量源。我跟锂电池打交道大概有四十几年的时间,今天我想以锂电池与“电动中国”跟大家一起来交流。 1我国锂电池产业是如何做到世界第一的? 从2018年全球电动汽车电池企业市场份额的排名情况来看,前10名中排名第一的是宁德时代,就是CATL,第2名是日本的松下公司,第3名是比亚迪,一共10名。2018年,中国有6个锂电池企业位居动力电池世界市场占有率前十。宁德时代是百分之37.23%,稳居第一,日本松下公司只有21.54%,排名第二,但是差十几个百分点。 中国锂离子电池产量为什么能够世界第一?这要从开始来讲起。 中国锂电池研究并不晚,几乎和世界同步。1976年的圣诞节之前,科学院派遣我到西德。那个时候德国还没有统一,东德、西德是分开的。我到西德斯图加特马普固体所进修,当时我很快发现他们全所上下都在研究氮化锂晶体的性能,我感到很奇怪,为什么大家对氮化锂这么感兴趣?当时才知道氮化锂是一个离子导电的材料,据说是一种叫超离子的导体,可以用来作汽车的电池。我听到这句话之后马上在脑子里想了一下,我是不是要改方向。 他们的研究所有个开门办所,有一天对社会开放,他们就把这个氮化锂,这一个类似于扣子似的小电池摆在桌子上,旁边放了一个铅酸电池。我一看,一个铅酸电池很沉,一个扣式电池很轻。我就想这个东西的确是很有用的,所以我马上就给国内所里打报告,我说我要改行,从晶体生长改到新的学科,叫固体离子学。大概一个月以后,所里给我回信,允许我改行。回国以后,科学院非常支持把这个项目给物理所,说应该给这个年轻人建个研究室,所以很快就成立了一个固体离子学实验室。这是当时国内第一个固体离子学实验室,也是物理所最小的一个实验室。我从事的工作就是锂离子导体和锂电池研究。 1991年索尼公司宣布产业化以后,物理所迅速跟进了。当时我们就在思考怎样能够迈出产业化的第一步。我们做研究的单位是把钱变成知识,如果投资的单位是把技术变成钱。怎么想办法能把知识变成技术,就是怎么能够衔接上,我们提出了一个思路,就说能不能想办法让研究单位往前走几步,让投资单位往前走几步,我们在“桥”中间会合。所以就找了一个投资方,1993年签订了一个A型锂离子电池的研究开发协议,投资方给的经费是10万元钱,同时更重要的是派了三个人来。这三个人当时对我们有很大支持,因为当时实验室我就一个硕士生,人手很缺乏。 很快1995年第1块锂电池就从中国科学院物理所诞生了。当时的这个手机叫“大哥大”,可能年纪稍稍大一点知道,“大哥大”就是像一个砖头一样的一个手机,当时拿个“大哥大”是一种身份的象征。A型锂离子电池就是“大哥大”的电池。中国科学院鉴定以后认为,当时这个水平达到世界先进水平,可以再进一步往下走,这就是当时我们在实验室怎么样从知识变成了技术,走出了这一步。 现在有一种观点说锂电池是日本人发明的,中国在锂电池方面技术不行,只是在应用水平上比较领先。锂离子电池的发明肯定不是日本人,要不诺贝尔奖怎么是给两个美国人和一个日本人。所以说锂离子电池是日本人发明的这个话不完全对,可以说锂离子电池是日本人先产业化的,这句话是对的。 图为中国锂动力电池市场占有率图片来源:中国经济大讲堂 我们可以从这张图看得出来,日本人最早1991年宣布产业化,市场占有率是100%,然后一直往下掉,现在还在往下掉。连索尼公司都不做锂离子电池了,它的锂离子电池卖给了另外一个公司。韩国人跟中国人是往上走的,到2014年我们中国的动力电池、锂电市场份额已经超过了日本跟韩国,处于世界的第一位,现在还在往上升。 我们锂电池技术从目前发展的情况来看是不错的。实际上是学术界、工程界和产业界的一个合作,是研究院所和大学的通力合作,高度重视原始创新、基础研究和应用研究紧密结合,加快研究成果的产业化进程。 Goodenough(约翰·古迪纳夫)发现了普遍使用的正极材料钴酸锂还有磷酸铁锂,但这两种材料都有缺点。钴酸锂实际上只能取出0.5摩尔的锂,而磷酸铁锂实际上是个绝缘体,都有缺点。我们想办法找出它的缺点,然后通过理论计算和试验相结合进行了改性并且取得了专利权,这个专利权对于我们锂离子电池的发展起了非常重要的作用。 前几年比利时的五矿公司要到中国来收锂离子正极材料知识产权费,据说是一吨要收5万。做钴酸锂三元材料大概一吨的利润可能也不到5万,他们就到海淀知识法庭把我们告了,后来中国的做正极材料的企业联合物理所和他们庭外和解,因为我们有这个专利,所以他们再也没有提要收专利费的问题。看得出来,不是我们的原创材料,但是我们做了工作,我们也申请了我们的专利,对于保护我们自己的企业是很有好处的。 第二个例子就是磷酸铁锂。它是个绝缘体,我们通过理论计算,它是个一维的离子导体,如果说你在锂位掺上铬这种大的离子的话,就把这个锂的通道堵塞了,这样是不行的,没法用。后来就有人又提出来一个在铁位掺钠。铁位掺钠的时候,颜色变黑了,电导率也提高了几个数量级,它的离子电导率和电子电导率都挺好。所以法国和德国科学家认可这个工作,这是唯一的一条可行的路,打破了国外的原始专利对磷酸铁锂材料的垄断。这样才有我们现在各锂电池企业在相当大量地使用磷酸铁锂材料,不受国外知识产权的影响。 从这两个例子可以看得出来,虽然我们没有做原始创新,但是我们给它改性、再创新了,也是非常重要的。 刚才讲的是两个正极材料,那么现在我讲负极材料,这是我们的原始创新了。清华大学很早就申请了天然石墨做锂离子电池负极的专利。两年前,它申请了国家的发明奖,这个发明奖就等于是承认了我们用天然石墨做锂离子电池的负极是我们的知识产权。光有石墨还不行,石墨的容量是比较低的,372毫安时每克。硅的容量实际上是相当高的,那么硅能不能够作为锂离子电池的负极呢?1999年我就做了这个工作,申请了第一个专利。所以国际上第一个硅作负极的专利是我们申请的,这个是美国人也承认的。但是你要把它用上,还是相当困难的。从几百毫克到几百公斤,用了17年的时间,这17年我们走的路从文章变成技术,然后变成产品,变成市场。 我们现在的原材料基本上是已经国产化,进口的量已经相当少,同时我们的设备绝大部分也都是国产化的设备,更不用说员工的技术,现在基本上都是我们自己培养的技术。 从手机、数码产品到电动汽车、轮船,锂离子电池已经在我们生活当中扮演着越来越重要的角色。但近些年,锂电池安全问题引发的事故同样令人印象深刻。三星手机电池起火爆炸,电动汽车碰撞起火甚至自燃,波音787客机发生锂离子电池起火事故,生产生活受到新的威胁。除了安全问题,锂电池的续航能力、电池循环使用寿命有限等问题,也常常被人们所诟病。能否避免锂电池成为人们身边的“炸弹”?如何破解锂离子电池引发的各种“焦虑”? 2如何破解锂离子电池引发的“焦虑”? 现在有两个问题,一个是安全问题,一个是里程问题,安全问题和里程问题都跟锂离子电池有关系。 锂离子电动车的安全事故时有发生,虽然它的安全事故并没有燃油车的事故多,但是它是个新生事物,一旦有一个锂离子电池车燃烧了或者是爆炸了,网上马上就传开了,而且传得很快。这样锂离子电池电动车可能就会受一些影响,产销都会受一些影响。里程问题是指锂离子电池现在的能量密度还不够高,充一次电大概行驶里程也就是100多公里、200多公里。 我觉得电动汽车应该把车跟电分开,就是买车和买电池要分开。最好是买一辆电动车,我每天上班,如果是从天安门到清华或者到五环路就可以,可能也就是30公里,那是不是买一辆车能开30公里就行了?不一定非得要开100多公里、200公里,也就是说装10度电就够了。那么车子的钱加上这10度电的电池的钱肯定不会超过10万元钱,大概五、六万我就可以买一辆车。但是我要开长途车怎么办?能不能我开长途车的时候再去租电池?也就是说要专门成立一个电池的公司。 实际上我是不主张快充的,因为现在锂离子电池的机理决定了它是插入式反应,就是说你要允许离子能够有时间把它插进去。而且现在我们所用的正极材料也好,负极材料也好。负极材料用石墨,石墨是个层状结构,层状结构只有离子要对着那个层才能插进去。如果说正好那个石墨跟它离子是垂直的,它进不去,它就要转一个90度才能进去。所以你要给它一个转90度的时间,如果说你不给它一个时间,直接快充的话,它转不过去就会在石墨片上沉积下来,这样对电池寿命是不利的。同样,放电的时候,如果特别快地放电,倍率太大了也不行,它也是层状结构的。一个正级材料它回去也是一样,它是要找准那个狭缝它才能进去,如果它找不准的话也进不去,也要等着有机会它才能往里走。所以说我不主张快充,我是最希望换电池的。适当的倍率充是可以,但是特快了不行,换电模式是好,但是做起来相当困难,标准不好统一。这个一定要国家统一来考虑,如果说国家不出台政策统一考虑的话,那是很难做的。 现在蔚来公司有一种换电的模式,它从北京开到深圳,每开一步它是有地方换电,几分钟就可以换完,充电最快是大概一刻钟,就是喝一杯咖啡的时间。一刻钟已经是够快的了,换电的话它几分钟就可以换完。因为我最早参观换电是在清华,清华里头有一个换电的装置,车开上去之后就把车给顶起来,换电的装置都在地底下,很快就把它换掉了。但是这个车一定要标准化,电池一定要标准化。所以这就要求国家要统一出台政策,就是换电的政策。 我大概一个月以前,在北京打了一个出租车,从圆明园到中关村,我坐的正好是电动汽车。我就问他,这个车跑一天充几次电,他说我不充电我是换电。我说北京有换电吗?他说有,北京出租车全部是换电。就是说现在换电他不用管,你开到那儿去,就有人帮你把电换了,他们还是喜欢开电动出租车。所以将来我们解决退补以后,我觉得一个不让销路往下滑的很重要的事,就是我们是不是可以再回过来重新考虑换电的模式。 从2009年开始,我国汽车产销量连续11年位居全球第一。随之而来的则是石油消耗量剧增、空气质量恶化等一系列棘手问题。前所未有的能源危机,让新能源的开发利用迫在眉睫。对汽车来说,不管什么样的新能源,最终都是转化为电能驱动车辆,而电池作为储存电能的动力核心,其性能在新能源汽车的研发中扮演着极为关键的角色。锂离子电池能否根治“汽车病”?它能不能帮助我们构建起能源互联网,破解能源危机? 3“电动中国”能否破解能源危机? 我们发展电动车不是为发展电动车而发展电动车,实际上是跟我们国家的能源情况密切相关的。2004年,我们工程院做的一个咨询项目,就是2050年中国的油气资源的情况怎么样。这个执行项目的结果大概是这样:到2050年,我国自产石油大概每年1.8亿吨是没问题的,就是说从现在开始到2050年还可以在1.8亿吨每年的这个水平。 实际上这条红线就是1.8亿吨,去年大概是1.9亿吨,石油的对外依存度最好不要超过50%。2017年进口石油是4.2亿吨,国产石油1.92亿吨,对外依存度到了68.6%,已经远远超过50%了。那么我们的汽车的保有量是2.17亿辆,每千人是167辆,世界平均每千人是131辆,我们现在比世界平均水平稍稍高一点,但跟美国的每千人800辆那还差得远。汽车的油耗,如果说按照一辆车一年平均两吨油来算的话是4.3亿吨油,也就是说,我们进口4.2亿吨给汽车用掉了。 最近发现了两个大油田隐藏量是10亿吨,这都是作为特大喜讯报的。我问了他们回采率是多少,他说回采率可能低于50%,大概40%。两个油田的话,也就是说两年不用进口,但是第三年还要进口,而且不可能老有像这种10亿吨的油田被发现。所以从这个可以看得出来,我们的储油现在只够40天用,而日本的储油是200天。我们国家储油希望能够是100天,这样的话,实际上我们最近几年这个储油量已经是大大增加了。 能源安全是一个很重要的事情,当时我们分了几个组,一个是电取代组、煤取代组、生物质能取代组和总体组。我是电取代组的,就是发展电动车取代进口油,这是我们电取代组的一个结论。另外要考虑全球二氧化碳的排放,因为我们是参加了《巴黎气候协定》的,中国2010年二氧化碳排放量开始急剧往上升,最近几年稍稍往下掉一点,然后又往上升了一点。中国的二氧化碳的排放量是世界第一,所以实际上我们受到的压力是相当大的。 《巴黎气候协定》规定温度的升高不能高过两度,这也是大家的希望。因为现在像我们国家的西部那些雪山好像也都开始融化,你看美国排放量比我们低,本来它是第1位,那么现在我们中国第1位。因为印度现在发展很快,它如果不控制的话肯定要远超过中国。我们希望交通能够电动化,小城市是自行车、汽车、公交车,大城市多一个地铁,城市间现在有高铁,现在有飞机、有船舶。我们希望包括高铁、飞机船舶都能够电动化,就是电动汽车、电动飞机、电动船舶,这就要靠锂电池。 最近沈阳有一个企业做了一架电动飞机,是两个座的。但实际上你们从网上看的话,2010年上海一个民营企业已经做了一个电动飞机,也是两个人的,已经试飞成功。实际上现在电动飞机做得好的是以色列人,现在做九个座位的。所以现在我们除了电动汽车,还要发展电动船舶和电动飞机。 实际上现在中国已经有电动船舶了,是在广州的一个2000吨的电动船,它用的电池的量大概是八十几辆电动车的电池量,是在珠江运煤做运输的这个船。在上海也有500吨的这种船,不止一艘,有好几艘了。另外在溧阳现在已经注册了一个电动船舶的公司,那是哈理工的李革臣教授注册的一个公司。有人说电动汽车并不减少二氧化碳的排放,实际上这个电就从电网的电,从发电厂到用户,它是分高峰电和低谷电。峰电和谷电它的价格不一样,要鼓励用低谷电。 另外,我们发展太阳能跟风能、水能、核能,这几种能源对二氧化碳的排放当然是相当少,但是这些能源实际上它都要储能的。原来我对太阳能没有什么印象,我参观过北京附近的张北我才知道,太阳能实际上更需要储能。就说一朵乌云来了以后,把太阳一遮,它的发电突然一下就小了,几乎就为零了。当这朵乌云一走,马上这个电流就上来了,所以它比风电更需要储能。风电,不管风来风走,我这个风叶还在那儿转。风来的时候转得快一点,风走了以后转得慢一点,所以它不像太阳能那么厉害。风电、太阳能都需要储能,所以现在有的地方弃风弃光,还有水力发电的弃水,我们弃风、弃光、弃水大概电量是1100亿度电每年,可以够600万辆电动汽车用一年。实际上你只要能够把储能搞好了,你不要增加新的发电厂,不要多烧煤,你就把这个谷电用起来就可以了。 实际上就是我们要建一个能源互联网,这个实际上已经提了好几年了。从我们目前的能源发展情况来看,现在就是肯定要发展一些风能、太阳能、水能,绿色化发展,核能不能说它完全是绿色,但它是个新能源,所以这些肯定是要发展。那么,要发展的话就肯定要把所有这些能源应该有一个网把它“网”起来,所以就是说能源互联网。 最好我买了一辆电动车,我走到哪儿我都能充电,就跟现在自行车一样,我走到哪儿只要刷一下码,有自行车在那儿,我就可以骑一辆车走。将来也能够做到这么方便,我的汽车没有电了,我走到哪儿我有一个充电桩,一刷码我就可以充,或者说换电,这就当然是更不用说了。现在说互联网的概念还有云存储的概念,实际上将来都可以把这些概念用在能源上。因为现在能源的话还是条块分割比较厉害,就是国家电网它也是国家电网有一套,然后各个地方有地方一套。比方说现在是弃风弃光,那么它可能是为了减少弃风、弃光要各个省市分摊任务,这当然是国家的一种办法,但是如果能源互联网真正实现的话,我就可以把新疆的风能、太阳能存储起来,上网就可以了,别的地方有需要就可以用了,这样就比较方便。我们现在有的地方电能很便宜,有的地方电能就很贵,如果能够把新疆的电弄到需要的地方不是挺好吗?我想能源互联网就要起这个作用。 现在清华大学新成立了一个能源互联网研究院,就是想把互联网的概念用在能源上,能够把我们国家的能源将来就是把绿色能源增加,把化石能源减少,我想这是能源互联网的一个作用。 4谁才是未来的终极电池? 现在的锂离子电池是液体电解质,那么能量密度已经基本上到了极限,大概300瓦时每公斤或者350瓦时每公斤,已经到了极限。那么安全性问题时有发生,由于它一个能量密度有限,一个安全事故会发生,所以这样我们要考虑固态电池。 固态电池它是什么呢?现在我们用的是锂离子电池,更全面一点包括像镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池这些都是液态电解质的电池。固态电池可以做得跟锂离子电池一样,只不过把电解液换成是固态。它是固态,就是里头不含液态或者液态含的很少。固态电池实际上不是一个新的东西,“六五”计划、“七五”计划我们就将固态电池列入重点课题,那么科技部也是第一个把固态电池这个课题列为重大项目。 固态电池的关键就是要研究固体电解质材料,固态电池它的负极是用金属锂。中间这个电解质是固体,固体电解质不是液体,那么正极可以用不含锂的正极材料,也可以用现有的这种正极材料。如果说能够找出来不含锂的正极材料,或者说容量更高的,我们就可以做出能量密度更高的固态电池,那么它的能量密度就可以大于每公斤500瓦时,那么它安全事故可以大大减小。 实际上固态电池不是说没有短路的那一天,如果固态电池有短路那一天它会不会燃烧?金属锂在空气里头可能起某种反应,但是它的量比较小,它不会爆炸,所以安全性应该说是比现在的锂离子电池应该要安全。 固态电解质基本上我们中国人没有原始创新,比较少。既然要发展固态电池,一定要有我们的创新。常见的聚合物的材料就这么几种,PEO(聚环氧乙烷)、PP0(聚环氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈),它们的室温离子电导率都比较低。最近青岛能源所崔光磊做了一些新的工作,他可以室温下做到10的负4次方西门子每厘米,他的电池也用上了,所以应该说有新的进展。米歇尔·阿芒德听到崔光磊的报告以后,第二天就给我发个E—MAIL,说看来中国人再一次走到了世界的前列。 最近新引进的一位王雪峰博士,物理所把他引回来了,他把锂离子电池和锂氧电池混起来,他是用什么?用硫化钼作正极,二硫化钼它可以插锂进去,也可以插氧进去,形成一个新的化合物。混起来以后,它容量是相当高的。这个工作我们在物理所也申请了专利,所以这是新的一些思路,将来会对固态电池起作用。 所以我希望通过固态电池的发展来使我们国家能从跟跑、并跑一直到领跑。一直保持世界市场占有率第一位的位置。要保持这个第一位地位的位置,我想对目前的锂离子电池的工作我们不能放松,就是有很多创新的工作、创新的成果我们要往产业化走。 日本人Kanno(菅野)我很佩服他,他一直坚持固体电解质一直没放,我觉得日本的这一点我们是值得学习的。我们的固态电池研究工作从锂离子电池开始就基本上都放掉了、停掉了,但是现在,只是现在我们又回过头来重新去做。我觉得重新去做也不晚,我们还可以,实际上还可以赶得上,从目前的趋势来看我们还是有优势。所以锂电池的工作,无论是锂电池也好、固态电池也好、还是液体电解质电池都是应该是有很多工作要鼓励创新的。 除了这个以外,其他电池一定要做,比方说钠离子电池,你别看现在大家做锂离子电池都是信心满满,但是全世界开的车都用锂离子电池的话,实际上锂是不够的。昨天米歇尔·阿芒德也给了一个数据,就是说全世界10%的电动汽车都用电池来开的话,它大概需要多少电池?60多亿吨还是多少,量是相当大的。这样的情况下,一定要发展像钠离子电池这一类资源比较丰富的电池。另外铝离子电池、镁离子电池或者是锌离子电池这些实际上也应该做的,特别是有些工作是我们有优势,是我们在先的。 钠离子电池是我们有优势,第一辆低速电动车是我们演示的,第一个100千瓦的电站是我们演示的,然后就像锌离子电池的专利,人家也承认是中国的首先的专利。现在我们正在做锂的或者镁的固态电池,我觉得这些东西的话大家都是从头做起,我觉得是我们只要抓住时机能够不放弃,应该说是有机会走到世界前头的。 氢氧燃料电池不是电池,它实际上是个发电装置。就是说你有了氢了,我通过它加上氧我可以发电、产生电,它是个发电装置,不是电池。但是氢氧燃料电池我们一定要研究。氢它没有矿,它不像锂,锂有锂矿。中国的这个锂的资源虽然是没有南美洲那么多,但是我们还算是锂资源比较丰富的国家,但是氢你没有。你将来氢从哪儿来?有人说你电解水制氢呢?那当然是可以电解水制氢,大家都可以电解水制氢,但是电解水制氢要什么?要电。你有了电,以电解水制氢,然后氢你再把它装瓶也好,把它液化,最后你再把氢又用氢氧燃料电池去发电。就是说开始是电,最后还是电,你都是用这电去开车。 如果说能够解决太阳能光解水制氢这个问题,那么将来我们氢氧燃料电池的确是大有希望。氢氧燃料电池我们要研究,但是要大发展,就是说它要去取代锂离子电池的这个地位,不是近期的事情。 我们目前应该考虑怎么样把“电动中国”从梦想变成现实,这是一个国家的急需。这些创新性很强的研究,不管你是再创新还是我们自己的独创,都应该让中国锂电池由跟跑到并跑,最终实现领跑,为实现“电动中国”的这个梦想奠定基础。