当量子化学、AI应用在新能源产业，将带来哪些奇妙创新？ | 对话

今天，人类正经历第三次能源革命，包括储能、电池等在内的新能源产业进入高速发展期，这其中孕育着海量机遇与广阔空间。同样令人感到惊喜和兴奋的是，一批前沿技术开始在这片产业沃土上种下奇妙的创新种子，加速创新进程。

近期，香港大学北京中心、高榕资本榕汇、亿欧汽车联合举办“前沿科技对话储能电池行业先行者”线上研讨会，旨在推动新能源和新技术、学界和产业界的碰撞。

量子化学顶尖学者——香港大学化学系教授、香港量子人工智能实验室主任陈冠华教授，与固态锂电池、储能行业先行者——清陶能源联合创始人、总经理李峥博士，沃太能源大型储能事业部总经理游峰博士，以及高榕资本董事总经理辛旺，进行线上分享与跨界对话。他们分别分享和探讨了量子化学在新能源产业的应用，以及行业密切关注的固态锂电池产品路线图、储能安全等话题。

当量子化学和AI走进新能源领域

19世纪末量子力学的提出，为解释微观物质世界打开了一扇大门，彻底改变了人类对物质结构及相互作用的理解。

量子化学，是应用量子力学来深入了解原子系统物理化学性质的学科。量子化学的“圣杯”和核心问题是，如何在有限的计算资源和时间内找到量子力学基本方程——薛定谔方程的解。正如1929年量子物理学先驱保罗·狄拉克所说：“整个化学和绝大部分物理所需的数学理论的基本定律已完全知晓，难点仅在于这些定律的精确应用会导致方程太过复杂而无法求解。”

时至今日，人们已经发展出了多种量子化学方法来近似求解薛定谔方程，包括密度泛函理论与Kohn-Sham方程等。

多年来，陈冠华教授专注于薛定鄂方程的精确数值求解，并率先运用人工智能求解量子力学方程。2019年，陈冠华教授和团队取得重大突破，从原理上证明利用深度学习方法，可以在不损失精度的同时，加速求解量子力学方程，用以预测材料物理化学性质及设计新型光电器件，过程中不需要求解多体系统的薛定谔方程。

“有关量子化学我们有个梦想，即在计算机上发现新材料、新药、设计新型光电器件。今天我们感到十分兴奋，因为这个时刻终于到了。”陈冠华教授在分享时谈到。

此前，陈冠华教授与团队已将量子力学应用在半导体领域，并独立开发出世界领先的、具备原子尺度模拟功能的半导体电子设计自动化（EDA）工艺及器件模拟（TCAD）软件工具平台。“今天，我们期待将微电子领域EDA的成功经验，转移到能源材料与器件领域，并提出新能源产业‘EDA’。目前，该模拟平台主要包括三大模块，未来会有更多延展。”

总结来看，新能源产业“EDA”平台本质上包括三个维度：微观尺度上对材料性能的量子力学模拟；电芯层面的电化学模拟仿真；模组及系统层面的大数据/人工智能方法。

陈冠华教授从基础科学研究角度为产业方提出建议，“几十年来，计算材料学或计算化学已经建立了各种各样的有效模型，基本解决了定性问题；产业方一定要利用这些模型，会大大减少对实验数据的需求，通过AI加上有限的实验数据，就可以高效解决实际工作中的定量问题。”

陈冠华教授进一步举例说明，“在实际应用中，即便是现在看已经比较成熟的锂电池产业，其器件从原理和深层机制上，还有很多细节有极大改进空间”。例如今年5月，加拿大达尔豪斯大学与特斯拉高级电池研究团队合作开发了一种新型镍基电池，和现有三元锂电池材料相比仅仅调整了NMC电池的成分，就使得电池在室温下连续充放电循环4.5年后只有5%的衰减，意味着使用寿命可达100年。

“目前，我们团队正推进AI+量子化学技术在新能源产业中的应用”，陈冠华教授介绍，“除了做电池寿命预测、安全预警等，我们还模拟了固态锂电池系统的电子能级分布，乃至发现新型固态锂电池电解质材料，未来还会推进到钾离子电池材料、氢燃料电池的研究等等。”

固态锂电池创新“四面体”

锂电池固态化被锂电池行业认为是公认的发展趋势。清陶能源是全球固态锂电池产业化的领跑者，建有全球首条固态动力锂电池规模化量产线。清陶能源联合创始人、总经理李峥博士是固态锂电池和功能复合材料领域专家。在分享中，他重点从产业化视角分享固态锂电池的路线图与未来。

李峥博士指出，固态锂电池作为新技术，本质是通过材料体系的革新，彻底解决了液态锂电池的安全问题，并打开了能量密度提升的天花板。

对比液态锂电池，固态锂电池并非仅仅是用固态电解质替代了电解液，而是从根本上把电池从一个电子封装组合而成的器件概念，转化为了复合材料体系的概念。因此固态锂电池的生产过程，是复合材料的制程过程，“我们进入了一个全新的赛道”。

李峥博士着重分享了固态锂电池产品迭代路线图。目前清陶能源第一代半固态产品，已经实现了量产、并建立了超GWh级别的工厂，电池能量密度达到420Wh/kg；第二代电池预计2024年量产；第三代即全固态锂电池，能量密度将突破500Wh/kg。三代产品能量密度逐步提高，液体含量逐步降低，电池制程数量不断下降，度电成本随之大幅下降。

在李峥看来，固态锂电池的创新需要“四面体”。“首先是材料的创新，这是皇冠；其次通过结构优化去支持；再要通过工艺创新去迭代；这三点共同支撑电芯性能提升。”

对于量子力学、计算材料学等前沿技术对固态锂电池产业的价值，李峥指出，“以前我们做材料，经常开玩笑说自己是炒菜，盲炒试试好不好吃；有了计算材料学，至少可以在菜谱基础上去炒菜。上世纪60、70年代就有人在研究固态电解质，直到2000年后随着计算材料学的发展，固态电解质开始有了基本的理论指导，剩下的就是材料配比问题。事实上，量子力学对于全固态锂电池来说更有价值，因为固态锂电池越做越像整块材料，或者说越做越像半导体。”

但李峥同时也强调，在基础理论指导上，需要关注制程与工艺，从而最终实现真正的规模化、产业化。“配比问题还是需要回到工程上，走出实验室之后，我们要在量产中把握制程能力和工艺。”

提升储能安全的五大要素

沃太能源专注于提供先进的储能产品，在全球市场已安装的储能系统超75000套。游峰博士是沃太能源大型储能事业部总经理，拥有超过10年储能领域从业经验，曾任力神储能总经理、动力电池工程技术研究院院长。

针对行业关心的储能工业安全问题，游峰博士从机、电、热、化、控五大方面（即机械安全、电气安全、热管理、电化学安全和控制安全），分析目前领先的储能安全解决方案。

“在电池本体安全没有解决之前，我觉得控是核心，目前我们所有的工作基本放在控制上，但是控制会把前面的机、电、热、化都整合集成在一起，做主动安全的控制。”例如控制系统会整合电池本身如充放电曲线等参量的监测，也包括热失控前可能出现的气体泄露、电解液泄露、温度、烟感监测等等。

此外，会从系统的各个维度降低风险，例如对整个系统的电气拓扑架构和通信拓扑架构做改良和优化；热管理方面则通过风冷、液冷等手段，对电池运行环境进行优化。

活动上，游峰博士也与陈冠华教授等嘉宾交流储能产业的热点话题。谈及钠离子电池等在储能领域的应用前景，游峰指出，“不管是从成本角度，还是循环寿命、安全性的考虑，钠离子电池在储能行业未来可能会是对现有锂离子电池的补充。”

此次线上研讨会，吸引了来自学界、研究机构、新能源产业方以及投资方参与。在彼此碰撞中，共同发现确定性的产业趋势，也为不确定性的问题找到答案与探索方向。

*本文转自高榕资本 ，如需转载请联系高榕资本申请授权