中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：8月24日—26日，由深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)與南方科技大學(xué)碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國國際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)與新型儲(chǔ)能技術(shù)青年科學(xué)家論壇在深圳召開。此次大會(huì)主題是“開拓新質(zhì)生產(chǎn)力，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”。
在新型儲(chǔ)能技術(shù)青年科學(xué)家論壇上，中國科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰做了題為《新材料支持鋰離子電池升級(jí)》的演講。
中國科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理，僅供參考。
目前被廣泛關(guān)注的鋰離子電池的二代電池有兩個(gè)品種，一個(gè)是磷酸鐵鋰正極材料電池，另一個(gè)是三元正極材料電池。其中磷酸鐵鋰電池占鋰電超70%?，F(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，鋰電池能量密度還有提升的空間，但是空間不大了，循環(huán)壽命還有加倍甚至是三倍的提升空間，這對(duì)儲(chǔ)能、電動(dòng)車是有價(jià)值的。
鋰電池再高端化需要向三代發(fā)展，在當(dāng)下的三元材料技術(shù)基礎(chǔ)之上，提高比能量意味著事故的增加，因此對(duì)安全有很大的挑戰(zhàn)。三元鋰電池要進(jìn)一步發(fā)展必然會(huì)走向更高端，走向固態(tài)化，目前全固態(tài)還有困難，近期來看半固態(tài)是個(gè)趨勢(shì)，只有能量密度進(jìn)一步提高才能夠滿足高端電動(dòng)汽車、飛行器、人形機(jī)器人等各個(gè)方面應(yīng)用的需求。
我國風(fēng)電和光伏的裝機(jī)功率已經(jīng)超過了火電，也就意味著大量的電力處在間歇的狀態(tài)，因此我們需要儲(chǔ)能電池。根據(jù)數(shù)據(jù)，到2023年年底，新型儲(chǔ)能中鋰離子電池占超90%，這其中幾乎都是磷酸鐵鋰電池，這源于磷酸鐵鋰電池既安全又有較長(zhǎng)的壽命，對(duì)資源的需求也不像三元材料那么高。
99%的磷酸鐵鋰都在中國生產(chǎn)，大規(guī)模生產(chǎn)從2012年開始，成本下降非?？?，從2塊錢/Wh，已經(jīng)降到現(xiàn)在不到4毛/Wh。但是很遺憾，價(jià)格持續(xù)下探，競(jìng)爭(zhēng)力激烈，內(nèi)卷帶來的問題是會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量下降，一些企業(yè)可能會(huì)在看不見的地方降低質(zhì)量要求。
儲(chǔ)能領(lǐng)域，如何壽命不夠長(zhǎng)甚至縮短，會(huì)導(dǎo)致電力公司虧本。為此，我們?cè)谀芰棵芏忍嵘臻g有限的情況下，要把壽命大幅增加。
我?guī)淼囊粋€(gè)成果是正極加鋰技術(shù)，大家知道鋰離子電池是靠鋰離子在正負(fù)極之間來回跑動(dòng)儲(chǔ)存電能，每一次循環(huán)后都有少量的鋰離子跑不動(dòng)了，就會(huì)導(dǎo)致容量的下降。
樸素的想法就是往里面多加一些鋰，活性的鋰多一些，能量保持率就高一些，在負(fù)極叫補(bǔ)鋰，在正極叫加鋰，負(fù)極補(bǔ)就是把金屬鋰加進(jìn)去，正極補(bǔ)就是把高含鋰的化合物加進(jìn)去，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，負(fù)極補(bǔ)的做法理論上容易，工業(yè)上實(shí)現(xiàn)不易，因?yàn)榻饘黉嚪浅ＮｋU(xiǎn)，正極補(bǔ)在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)好實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)材料的要求非常高。
我們還是考慮走工業(yè)上易行的路線，全球研究這種技術(shù)路線的很多，只要鋰含量比正極材料高得多就可以加進(jìn)去，目前有包括氧化鋰，過氧化鋰，草酸鋰在內(nèi)的各種化合物，效果也不同。真正讓我們有收獲的是硫化鋰，今天所有固態(tài)電池企業(yè)的都希望有很好的硫化鋰。
硫化鋰，我們最早是用于正極加鋰，因?yàn)榱蚧嚦潆姇r(shí)會(huì)分解，不管什么正極，只要涂上去都能夠貢獻(xiàn)容量，加進(jìn)去之后配硅碳負(fù)極電池有效。硅碳的首次效率比較低，電池循環(huán)容量容易下降，一旦把硫化鋰加進(jìn)去，可以看到循環(huán)容量不下降，而且性能非常好，不僅僅硅可以加很多，這個(gè)電池還能夠快速充電，內(nèi)阻變得很低。
我們把硫化鋰產(chǎn)業(yè)化，做成小批量的產(chǎn)品送到企業(yè)，但是硫化鋰遇到空氣水，水分就產(chǎn)生硫化氫，工人受不了，造成產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室里用很好，但在工廠里用不好。因此硫化鋰不能用到工廠，于是我們最終采取的方案是，把硫和鋰分開，把鋰藏到二氧化硅里，硫放到邊上，硫本身很穩(wěn)定，鋰加到二氧化硅里變成了硅酸鋰也很安全。在硅酸鋰上包上碳和硫，我們發(fā)現(xiàn)硅酸鋰加上硫以后，可以釋放出很多的活性鋰，特別對(duì)增加電池的壽命有好處。同時(shí)原來硫化鋰對(duì)電池的阻抗的影響，對(duì)電池性能的改進(jìn)效果也保持下來，于是我們就做出了這個(gè)原創(chuàng)材料。
至今在松山湖生產(chǎn)極片，給電池企業(yè)提供極片，測(cè)試下來效果良好。此前電動(dòng)汽車的電池在一般情況下3000次循環(huán)后大約還有80%多一點(diǎn)的容量保持率，現(xiàn)在能到95%以上，壽命提高了兩倍。
我們分析其主要原因，是有很穩(wěn)固的CEI和SEI。正極里含有硫，讓負(fù)極界面上的SEI層很堅(jiān)固，厚度薄且均勻，使負(fù)極充電的性能非常好。
有些企業(yè)開始往正極里稍微加一點(diǎn)硫或者往電解液里加一點(diǎn)硫，效果也不錯(cuò)，循環(huán)性能沒有提高到200%，但也提高了不少，近期也有相關(guān)的論文陸續(xù)發(fā)表出來。
能為行業(yè)做一點(diǎn)事情還是很值得高興的，電池用了它以后，壽命能夠提升2倍以上，這對(duì)儲(chǔ)能行業(yè)非常重要，因?yàn)樗軌蜃岆娏?chǔ)能的成本大幅下降，對(duì)于電動(dòng)汽車也很重要，汽車電池壽命將不再是10年，而是20年。
汽車電動(dòng)化率在快速的增長(zhǎng)，需要更高端的電池，特別是飛行器不能使用磷酸鐵鋰電池，所以我們需要350Wh/Kg以上，甚至400Wh/Kg的電池，需要小體積、靈活，所以對(duì)重量能量密度和體積能量密度都要求非常高，而且還要安全。
需要做到超高的比能量，電池直接加容量意味著更不安全，必須固態(tài)化。電池要做到超高的能量，首先要用到超高鎳的正極材料，三元材料是高端電池里必須用的，鎳越高，能量密度越高，成本越低，但鎳超高時(shí)材料在循環(huán)過程中會(huì)開裂，會(huì)釋放氧氣，容易導(dǎo)致車輛起火，這個(gè)問題怎么解決？
我們要考慮它將來的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅僅限于現(xiàn)在的電池，還包括未來的固態(tài)電池，含半固態(tài)電池。所以我們采取的思路不是提高材料燒結(jié)溫度，燒成單晶，我們是把多晶的一次顆粒尺寸做的更小，反其道而行之，變成更小的納米晶，大家知道生產(chǎn)鋼材時(shí)一次晶粒如果做得更小，百煉鋼就會(huì)化成繞指柔，就能夠變得非常堅(jiān)韌，所以我們做超高鎳三元材料也是反其道而行之。
我們先是推出了第一代材料，比容量220mAh/g，可以循環(huán)更好，這種材料和今天的商業(yè)材料比，氧氣釋放溫度提升了20-40度，而這可能就決定了車子在異常情況下電池是否起火。
做固態(tài)電池的人特別關(guān)心能否在熱壓機(jī)里把電池壓實(shí)，因?yàn)椴粔簩?shí)固態(tài)電池不工作，而商業(yè)材料是由大顆粒組成的，中間有縫隙，壓實(shí)每一個(gè)顆粒時(shí)就會(huì)破，我們做的納米晶的聚集體，每個(gè)一次顆粒都很小，二次顆粒很堅(jiān)固，耐壓能力大幅度提升，普通的材料只敢壓到3.4g/cm3，商業(yè)材料極片壓到3.6 g/cm3時(shí)有不少的地方二次顆粒都出現(xiàn)了破裂的情況，但是用我們這個(gè)材料壓到3.6 g/cm3沒有問題。
固體電解質(zhì)加進(jìn)去以后壓到3.8 g/cm3可以形成致密的正極，致密的正極可以滿足今天的半固態(tài)，未來的全固態(tài)的電池需求。
在這個(gè)基礎(chǔ)之上我們現(xiàn)在已經(jīng)正式推出了第二代材料，比容量已經(jīng)達(dá)到245mAh/g，1C充放電在220mAh/g有穩(wěn)定的循環(huán)，說明目前我們向三元材料的極限容量又逼近一步。
作為材料實(shí)驗(yàn)室，我們有一個(gè)重要的使命，是以材料來支撐制造業(yè)的發(fā)展，要成為國家級(jí)南方材料研究基地。我們要進(jìn)行全鏈條的研究，從前沿技術(shù)一直做到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，擁有多個(gè)研究組，有實(shí)驗(yàn)工廠，鼓勵(lì)科研人員積極創(chuàng)業(yè)，也有了一批創(chuàng)業(yè)公司。
我們以創(chuàng)新工場(chǎng)的形式把實(shí)驗(yàn)室的條件，把產(chǎn)業(yè)化的公司能力，把研究團(tuán)隊(duì)的能力向全社會(huì)開放，是一個(gè)公共的平臺(tái)，這不同于傳統(tǒng)的研究機(jī)構(gòu)，不僅僅自己做研發(fā)，其中的研發(fā)條件也對(duì)社會(huì)開放，已有不少企業(yè)從幾年前開始就在這條線上試做自己的材料，做自己的電池，我們研發(fā)的材料也是對(duì)企業(yè)開放提供的。
從材料，到液態(tài)、半固態(tài)電池都在出在這條線上，而且這條線上做出的電極，包括半固態(tài)的電極，已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)推廣。目前全固態(tài)電池的研發(fā)平臺(tái)正在松山湖建設(shè)中，預(yù)計(jì)今年晚些時(shí)候完成，其中包括金屬鋰電池在內(nèi)的平臺(tái)會(huì)對(duì)社會(huì)開放。
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