​中国工程院院士吴锋:中国动力电池及相关材料的研发进展

 行业动态     |      2019-09-03

经国务院批准,世界新能源汽车大会(WNEVC)于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召开。大会着眼于全球汽车产业的转型升级和生态环境的持续改善,通过聚集全球专家智慧和产业精英,共同交流探讨新能源汽车在技术创新、产业创新、政策创新、市场模式创新等领域的成功经验与发展趋势,凝聚产业共识,明晰汽车产业转型升级的方向,探索电动化、智能化、共享化协同发展的有效路径。


在近日的全体大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋发表了题为“中国动力澳门太阳城游戏官网电池及相关材料的研发进展”的主题演讲。


​中国工程院院士吴锋:中国动力电池及相关材料的研发进展


北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋


以下为演讲的主要内容:


各位来宾下午好!


非常高兴参加这次会议,现在我向大家报告一下,我们在动力电池和相关材料研发方面的一些进展。


中国从“七五”开始,国家科技部就开始立题,启动了新型二次电池关键材料的研究,“八五”开始又针对电动汽车启动了相关材料和电池及零部件的研究,经历“九五”、“十五”一直到现在“十三五”。我也从头见证和亲身经历了上述过程。


到2020年国家对于动力锂离子电池能量密度的指标是300Wh/kg,现在一些电池企业已经初步达到了这个指标,还在进一步提高综合性能。这是2017-2018年,我们国家动力电池配套的排名,大家可以看到80%都集中在宁德时代新能源和比亚迪等少数几家企业,随着国家补贴的退坡,动力电池企业下一步也面临新一轮洗牌,可能会有比较大的动静。

​中国工程院院士吴锋:中国动力电池及相关材料的研发进展

从2018年动力电池所用材料体系的统计结果来讲,磷酸铁锂、三元、锰酸锂等材料中,占比最多的是三元材料。但在国家补贴退坡后,随着磷酸铁锂材料的性能进一步提高和它在安全性方面的一些优势,它是否会在动力电池市场有新一轮崛起,还有待观察。


在技术进展方面,我们把新一代高比能锂离子电池正极材料的研发重点放在了富锂锰基材料方面。北京大学等单位在高比容富锂锰基材料研究方面取得了突破。我们团队在仿生膜设计,通过界面保护提高材料稳定性,构筑选择性锂离子通道,提高材料倍率性能方面也进行了一系列的研究。


在新型负极材料方面,我们也进行了无集流体,无黏结剂电极方面的尝试,可以提供更多电化学位点,从而提高电极比容量。在锂硫电池正极材料方面,我们利用双“费歇尔酯化”的模块组装方法,将分散的导电碳组装为椭球型的微米超结构,显著提高了正极单位面积的硫载量,电池能量密度达到545Wh/kg。在动力电池安全性方面,我们从材料入手,包括研制出温度敏感电极、陶瓷高强隔膜、安全电解质等显著提高了电池的夲征安全性。还研制出基于纳米TiO2与离子液体的新一代凝胶固态电解质,具有高室温电导率与显著的安全性(1300℃/60s不燃)。在系统安全性方面,基于我们提出的电池安全阈值边界的识别与控制概念,建立了相关的安全状态的数学模型,通过建立这个数学模型,可以将量化的安全度实时显示在电动汽车仪表盘,给司机提供可视化的安全预警。


在动力电池回收再生和再利用方面,我们研发出天然有机酸绿色高效回收技术,钴、锂、镍的浸取率达到92%以上。把回收过来的材料再做成正极,并符合正极材料的要求,这形成一个内循环,从废旧正极的回收到正极材料的再生。


还有一个外循环,像废旧电池的负极,大家知道主要是碳,碳价格并不高,我们将碳回收,做成了碳吸附剂,可以用来吸附磷,高达588mg/g,把这种吸附剂放在太湖、滇池等严重磷污染的湖水中,能够处理污水,再把处理后的含磷吸附剂,放到土壤里,作为磷肥缓缓释剂,形成一个外循环,因为这个需求量也很大。


在动力电池技术发展方面,今后主要还是集中在提高安全性、提升比能量,提高寿命、控制成本方面,当然寿命和成本本身也是密切相关的。


在高比能正极材料方面,大家在做高镍或者做低钴、无钴的材料,目前低钴是大趋势。刚才说了,富锂锰基是下一代高比能锂离子电池的主要正极材料,因为在研究当中发现,在这个体系里,氧参与了反应,也就是说从单电子上升为多电子反应,为锂离子电池能量密度的大幅度提升提供了材料基础。


对新型负极材料而言,硅碳复合还是研发重点,纯硅还要再远一点。负极材料在纳米化方面还有很多研究的空间。


电解质是影响锂离子安全的主要因素之一,在向固态化方向发展,我觉得目前还达不到全固态,我们研制出新型仿生蚁穴结构的新型离子凝胶电解质,在锂金属表面形成保护层,可有效抑制锂枝晶生长。电池材料在仿生方面的研究有利于电池本身的绿色化。


动力电池隔膜需要高稳定性,在保证强度的基础上,有待进一步轻质和薄型化。

​中国工程院院士吴锋:中国动力电池及相关材料的研发进展

动力电池正迈向固态化时代,现在硫化合物和聚合物的结合还是比较看好的,但是我总觉得还是一步一步来,从准固态向固态发展。


锂硫电池虽然有很高的理论质量能量密度,但它的体积能量密度目前还难以满足新能源汽车的要求。北京交通非常堵,如果在堵车的时候车子可以腾空往前走几百米再下来,这个地方是可以考虑用锂硫电池的,因为它轻,目前主要可用于无人机。


我们973团队还进行了光充电二次电池的研究,在化学电源中加入了物理电源的色彩,如果能通过光充电二次电池,解决电池超长时间的储存也是很有意义的。如果把叶绿素作为添加剂引进,就又把生物效应放进去了。希望能够引发一些创新性的思维。


在2002年,我们在第一期973项目中提出了多电子反应,6年后在第二期973项目中提出了轻元素多电子反应,在第三期973项目中又提出了轻元素、多电子、多离子反应,能量密度从300Wh/kg,到400Wh/kg,到500Wh/kg,上了三个台阶,把电池反应从单电子反应转变为多电子反应,这种新体系对提升二次高比能电池比能量是非常有意义的,也引起了国际同行的重视。


动力电池梯次利用,大型储能系统所需的管理电池是动力电池数量的几百倍甚至更多,针对于退役动力电池的一致性和先进的电池管理控制软件系统提出了更高的要求和挑战。在电池管理控制系统技术不成熟的前提下,退役动力电池用作移动应急电源等小型储存系统更为合适。按照现在的技术,马上把电动汽车电池退役之后用在太阳能和风电的储能,从小到大,我认为如何保证电池的均匀性和电池系统的安全可靠性,还有待商榷,需要认真研讨。


根据3R&3E策略,采取多种方法回收有价金属,降低各类污染,日本在这方面有许多成功的经验。


在保障安全性前提下,继续开发高能量密度、功率密度、低成本、高可靠性的动力电池体系,建立完整的动力电池梯次利用和电池回收再利用体系,加快推进新能源汽车发展。另一方面,技术发展的不确定性,意味着可能随时被颠覆;中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。然而要知道,一个真正从基础研究做起来的颠覆性创新,并不是一蹴即成的,不能急于求成,有时候这个事情要做五年十年或者十五年。美国能源部最近对动力电池提出了更高的性价比指标,所以我觉得从整个材料体系和电池体系来讲,我们都要有些创新性的思路。


谢谢大家。


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