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张锁江院士:动力电池的挑战在于材料
2017-09-13 11:09:45   来源:中国储能网新闻中心   作者:张龙采编  点击:

“社会可持续发展战略对动力电池技术的突破提出了刚性需求,现今动力电池行业得到迅猛发展,中国在2016年超越日本成为全球动力电池第一大生产制造国。但目前动力电池性能亟需提升,提高电池能量密度是众多待突破技术中的核心。目前最有效的解决策略是在电极材料和电解液领域进行技术创新。”

中国科学院院士张锁江于8月26日在“2017动力电池新材料技术与发展高峰论坛”上作了题为《动力电池系统的机遇与挑战》的精彩报告中讲到。

在此次论坛会议上,他着重强调了动力电池系统发展中所遇到的机遇和挑战,并从三个方面做了论述。其演讲实录摘编如下:

一、机遇与挑战

首先谈谈世界的大趋势。我们如今身处“地球村”,互联网等媒介将全世界都连接在了一起。当代另一个明显的重要特征:科技发展日新月异。这些大挑战反馈给科技创新,会带来什么样的趋势呢?具体到重要研究方向,我认为是新能源、新材料、生命健康和绿色环保。

电动汽车将对世界能源格局的变化产生深远影响,目前全世界都在大力发展电动汽车。2016年,我国电动汽车销量突破50万辆,预计2020年的产量将达到200万辆,产值超过6000亿元。

我国原则上不再核准新建燃油汽车项目,并严格控制现有汽车企业扩大传统燃油车产能。国外方面,在G20汉堡峰会上,法国、德国、印度、挪威等国家明确表态将全民禁售燃油车,松下、三星、LG等知名公司着手大力发展电动汽车电池市场,已开启车用电池“大战”。

电动汽车已不仅仅只是一辆车,而是一个新的机遇。它将能极大地解决环境污染问题、能源危机、同别国的争端问题,同时促进智能车的发展,并通过车联网让“地球村”联系得更紧密。

电动汽车将通过智能电网与新能源发电共同发展。电池储能是一个大的系统,在很多领域上都能应用,比如3C产品、电动汽车、智能穿戴、航空航天和规模储能等。每一个领域对电池的要求都不一样,比如3C产品需要的是小型化、高能量的电池,而电动汽车则要求高能量、高功率、长寿命的电池。

实际上,电池储能是一个产业链,从国家的角度来讲要建立贯通研发的模式,关键技术主要靠科学院、科研机构来解决,当然也包括一些企业的研发中心。那企业主要做什么呢?企业要做关键示范,然后再推广。

目前,从材料、器件到系统这样一个贯通的研发模式已经存在,只是仍然比较松散。大家都说科技成果转化力不够,事实上是从ABC到XYZ的链条没有做好,这里面包含了一个系统的研发模式,包括从分子水平分析、纳微成像到中试、工业示范、实况产品检验等,主要的挑战是动力电池、规模储能、特种电池的放大效应,需要科研和产业界联合起来,构建一个完整的、先进的研发大平台。

关于锂电池的研究,大视野下的纳微原位解析是非常重要的,要建立跨尺度的模拟仿真技术,特别是纳米级别的模型尤为重要,但这一条研究链并没有建立起来。另外,智能大数据系统急需建立,刚才新材料在线®和寻材问料也提出来了,这个大数据系统要服务于成千上万家的企业,成为科研单位、企业和用户之间的桥梁和纽带。除此之外,要建立共享的理念。共享是没有边界的,比如北京的中关村、怀柔、上海、深圳、广州和香港等地都可以共享人才、共享平台、共享资源、共享成果,这个理念非常重要。

那具体在运作模式上是如何实现的呢?大家来自五湖四海,股份制是最好的,新的运作模式就是共同创造、共同分享、引领未来。如果我们要建一个国家级的大平台,一定要做到“三总”(总指挥、总工程师、总保障师),分工协作。总工仅仅负责技术方面的事情,资金或者其它事务让总指挥来做,另外有总保障师做后勤保障。

我们正在面临着一个历史性的重大机遇,中国2016年已经超越日本成为全球电池储能第一大国,而且动力电池产业发展迅猛,2016年销量达到30GWh。科研方面,全钒液流电池实现产业化,锂液流电池进入示范阶段。中国强大的经济社会发展对电池储能技术突破提出了刚性要求。

二、研究进展

这部分主要讲讲我们目前的研究进展,针对动力电池、超级电容和储能电池。

1 .动力电池方面

动力电池目前主要存在四方面问题:一、续航里程短、成本高;二、充电速度慢;三、安全性差,易燃易爆;四、环境适应性差。

在全世界范围来看,这些问题都是普遍存在的,其中续航里程短可以归结为能量密度低。怎样让动力电池既便宜又拥有高能量密度呢?这是一个很难解决的问题。我们最近与北京协同创新研究院、美国康奈尔大学都有在研讨这个问题。

能量密度要提高到300Wh/kg,电极材料和电解液的创新是根本,这也是一个系统的问题。电极材料方面,我们要从磷酸铁锂/石墨体系过渡到三元/石墨体系,未来朝向高镍三元/硅碳体系发展。电解液则是从常规的4.2V电解液往高压电解液(4.8-5.0V)发展。

总的来说,提高动力电池性能,需要解决高容量电极材料问题、高压高安全电解液问题、电芯及电池组工艺问题。我们这些年组建了从材料到系统的协同创新团队,研究电极材料、新型电解液,并和企业合作进行电池组装测试实验。

(1)高容量电极材料方面

目前需要重点突破第三代动力电池电极材料,这是针对电动汽车和规模储能用的。

高电压高电容正极材料的研发策略是材料改性结合电解液优化,包括浓度梯度材料+包覆、掺杂改性;人造CEI膜或添加剂原位构造CEI膜。高容量高稳定性的硅碳负极材料的问题解决策略则是SiOx颗粒可控生长、碳原位包覆;SiOx/C纳微复合多级结构的构筑。硅球与碳纳米管整体电极的研究,解决了硅膨胀和导电性差的问题;硅碳负荷微球材料的容量高、循环稳定;硅碳三维网络结构则进一步提高容量至1100mAh/g。

(2)高压电解液方面

可以看到电解液现存的问题是适应性差、种类繁多,我们近期目标是开发高压、高安全电解液,把离子液体作为添加剂。中长期目标是开发出一种兼容性强、适应更多种类电极材料的电解液。高压安全电解液的研究工作很庞大,是一个系统的工作。我们的思路是

通过研究离子液体构效关系,开发离子液体添加剂、离子液体共溶剂、离子液体全溶剂,再研发出新一代离子液体电解液,最后实现产业化。

我们从2007年开始研究离子液体电解液,到2016年做到了规模化生产。最新的一个工作是开发了4.95V高电压离子液体电解液,10次循环后效率大于99.5%,200次循环容量保持率为95%。我们把它做成了镍锰酸锂/钛酸锂全电池,性能还不错。送到多个第三方检测机构检测,结果显示比国外的电解液还要好一些。目前离子液体及离子液体电解液已经国内外多家使用。

电解液溶剂的设计开发也很重要,EC(碳酸乙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)是电解液中重要的溶剂。它的反应是离子簇催化的过程,这些过程没有办法都用实验来观察到,所以我认为要想办法在“大”的条件下去模拟出来,如今是做到了。

(3)电芯及电池组工艺

接着突破了反应器放大的难题,我们用两年时间优化工艺,大幅降低了工艺系统的能耗,解决了反应器内气液分布不均的技术瓶颈,实现气液100%转化,也降低了后续处理的能耗。另外,我们希望能把年产7万吨的离子液体均相催化DMC新工艺的工地建设起来。

回到动力电池本身,这个系统里面包含了非常多东西,需要解决几个“一致性”的问题。我认为要大力提升生产信息化、智能化水平,构建大数据全生命周期管控体系,具体需要实现原料一致性、工艺一致性、环境一致性。比如材料中带芯片,这样的智能材料可以实时响应,全生命周期跟踪,大数据处理。所以要把电池管理系统(BMS)的开发工作做起来,采用数值模拟强化物质、热、电、信息一体化管理系统,实现热管理、电池均衡管理、充放电管理、故障报警管理。

电池系统的信息流非常重要,要建立系统方法来揭示物质、能量、信息的耦合关系,支撑电池系统创新。电池要有BMS进行实时监测,实现单体电池电压、温度、充放电电流的实时监测与控制优化算法精准地对电池组SOC、SOH状态进行估算和监控。更重要的是实现电容器跟电池的耦合,通过耦合构成一个大的系统,大幅度节能。

2 . 超级电容

超电容主要是要提高它的电压。我们开发了凝胶电解质,多种形式的炭复合材料可以发挥其高比电容的优势。掺氮活性炭双层电容器能量密度可以达到130Wh/kg。而准固态锂离子超电容的内阻小、电化学窗口达4V,最大能量密度可以达到146Wh/kg,最大功率密度可以达到22.6KW/kg。

3. 储能电池

我们国家的储能行业正处于高速发展的阶段,但是一般储能用电池的能量密度都很低,而锂离子液流电池的能量密度可达50-100Wh/kg,或许能成为新一代的规模储能技术,目前也正朝着商业化发展。在锂硫液流半固态电池方面,我们设计和制备了具有“自稳定”特性的电极浆料,流体电极稳定性高、流动性高、黏度低、电导率高、倍率放电性能突出,能量密度可达400Wh/L。流体电极循环性能方面,1C倍率循环1100周后容量保持51%,穿梭效应得到抑制。我们还支持间歇流动放电和连续流动放电,也可以长时间流动充放电。

三、未来展望

最后讲讲未来的展望。

不得不说,动力电池迎来了大发展。首先是高能化,从现在的200Wh/kg、300Wh/kg的目标朝未来500Wh/kg发展,甚至会更高。其次是安全性,电解液从液态、凝胶往全固态发展。还有快充化,从现在的几十分钟到几分钟,充电时间越来越短。我认为这些目标一定能实现。

而储能电池市场的潜力非常大,国家正在发展清洁能源,储能是能源革命的关键支撑点。2030年中国风光储能市场空间有望达到1万亿元。我们在实验室开发了一个MW(兆瓦)级锂离子液流储能电池示范工程建设,将来希望达到10MW、100MW级别。

另外,我们要关注“后锂电”时代的几种电池。燃料电池需要提高能量转化效率,重点解决催化剂中毒的问题。锂-空电池则要解决“锂枝晶”问题,其中电解质是关键。到了2025年左右,金属锂电池或许会迎来大发展。

说了这么多,电池回收也是非常重要的。我们国家的锂、钴、镍大多依赖进口,其中国内卤水资源中的镁锂比高、开发难度大,云母矿品味低;而钴的含量仅占世界的1.03%,消耗却占全世界总量的50%,95%以上依赖进口;镍含量仅占全世界总量的3.0%,消耗却占全世界的20%以上,进口率高达60%。电池回收是可持续发展的必由之路。

另外,锂盐的供求关系需要高度重视。数据显示,我国锂总储量排名世界第二,但锂产量仅占全球的5%以下。其中2015年碳酸锂需求量为7.9万吨,大部分是进口的。预计2020年世界碳酸锂总需求量为46万吨,我国需求总量将达到18万吨。我们有必要创新盐湖提锂新工艺,比如沉锂母液未能有效利用,直接外排造成了浪费,另外,高纯碳酸锂生产技术开发也是当前国际难点,这些情况都要改善。

总结起来,材料革命将推动电池储能革命。从材料到电池的革命,将改变世界、改变生活。要实现这个目标,我们必须构建电池储能的研发大平台。我在想,深圳是否能建成一个真正的电池国家级平台?将大学、研究所、产业界的优势力量集成,共同搭建这个大平台,满足国家能源领域战略需求,体现国家意志、承担国家任务。这将成为国家创新体系的核心力量。

最后,到底如何迎接新挑战和新机遇呢?归纳如下:认识大势,变革观念;需求牵引,协同创新;总体规划,重点突破。

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