中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：11月26日—27日，百人會(huì)?清華大學(xué)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高層研修班第三期四次課程在清華大學(xué)開課。目前，我國自主研發(fā)的核心零部件缺失，尚未形成技術(shù)壁壘，成為新能源汽車發(fā)展的潛在危險(xiǎn)。掌握核心技術(shù)，提高產(chǎn)品性能及安全性，才能形成具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的品牌，支撐產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保障。因此，此次課程的主題定為“電動(dòng)汽車核心技術(shù)突破與創(chuàng)新”。
高層研修班作為中國電動(dòng)汽車百人會(huì)為汽車產(chǎn)業(yè)服務(wù)的一個(gè)重要平臺(tái)，時(shí)刻關(guān)注著汽車產(chǎn)業(yè)的相關(guān)熱點(diǎn)話題。目前第三期研修班已圍繞動(dòng)力電池、新能源汽車產(chǎn)業(yè)投融資、智能汽車與交通等熱點(diǎn)問題舉辦了三次研修班課程。
此次課程，北京理工大學(xué)教授、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)首席專家吳峰為學(xué)員們帶來了精彩的內(nèi)容。
北京理工大學(xué)教授、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)首席專家吳峰
以下為吳峰講課全文：
突破就離不開創(chuàng)新，中央提出創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，這又與顛覆性技術(shù)相關(guān)。
大家知道，“顛覆性技術(shù)”可以是完全創(chuàng)新的技術(shù)，也可以是基于現(xiàn)有技術(shù)的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用。曾幾何時(shí)，“晶體管-印刷電路”的出現(xiàn)顛覆了真空管技術(shù)，進(jìn)而在摩爾定律的指引下，印刷電路的線寬不斷減小，使計(jì)算機(jī)小型化、微型化。因此，信息技術(shù)不但進(jìn)入了生產(chǎn)、生活 、社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，還使全球真正進(jìn)入了信息化時(shí)代。
汽車智能化也可以說是一個(gè)顛覆性技術(shù)。上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的數(shù)碼相機(jī)，徹底顛覆了彩色照相技術(shù)。使原先以光化學(xué)為基礎(chǔ)的彩色膠卷整個(gè)行業(yè)都被顛覆，從而使柯達(dá)、富士等膠卷壟斷巨頭倒閉、退市。所以說一旦出現(xiàn)顛覆性的技術(shù)，可能對(duì)產(chǎn)業(yè)和人們的生活產(chǎn)生非常大的影響，包括移動(dòng)通訊等，還可以改變商業(yè)和金融的模式。
今天，電動(dòng)汽車已進(jìn)入了我們的生活，在北京、上海、深圳等城市放眼望去，總能看到各式各樣的電動(dòng)汽車，一些公共場(chǎng)所和小區(qū)的停車場(chǎng)也出現(xiàn)了不少的充電樁。在全球，經(jīng)歷了幾起幾落、幾落幾起的電動(dòng)汽車，在電池技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，迎來了空前的發(fā)展，也對(duì)動(dòng)力電池提出了越來越高的要求，使其成為當(dāng)前國際競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。新型動(dòng)力電池已成為引人關(guān)注的話題和金融投資界青睞的對(duì)象，其中也不乏被人炒作，引發(fā)躁動(dòng)。
2001年以來，國家確定了發(fā)展電動(dòng)汽車的戰(zhàn)略，連續(xù)四個(gè)五年計(jì)劃實(shí)施了專項(xiàng)支持和配套政策，促進(jìn)了電動(dòng)汽車等相關(guān)新型產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展;電池新概念、新材料和新體系的探索和研究，已成為動(dòng)力電池技術(shù)不斷進(jìn)步的強(qiáng)大動(dòng)力。
在《國家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》、《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃(2011-2020)》和“十三五”“新能源汽車”國家重點(diǎn)專項(xiàng)中均明確提出重點(diǎn)支持動(dòng)力電池關(guān)鍵材料、電芯、系統(tǒng)等技術(shù)研發(fā)，并將提升電池能量密度作為關(guān)鍵指標(biāo)。現(xiàn)在提出這么高的能量密度指標(biāo)，還要保證其他性能，我覺得按照我們現(xiàn)行的體系和工藝、技術(shù)可能很難達(dá)到，我想必須要有一些顛覆性的技術(shù)，包括新材料、新工藝。
動(dòng)力電池的發(fā)展正處于關(guān)鍵階段
目前動(dòng)力電池正處于一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)展階段，需要不斷創(chuàng)新和突破，在這種情況下首先要關(guān)注電池的性能和性價(jià)比，如果不是由市場(chǎng)決定，急于一下子把產(chǎn)能搞上去，會(huì)很被動(dòng)，不利于鼓勵(lì)創(chuàng)新。雖然加大產(chǎn)能有利于降低成本和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，但不應(yīng)不顧市場(chǎng)，單方面強(qiáng)調(diào)產(chǎn)能，一旦新技術(shù)出來之后怎么辦?生產(chǎn)設(shè)備會(huì)不會(huì)面臨淘汰?一定要考慮電池的綜合性能和成本，高比能可以作為一個(gè)努力的目標(biāo)和方向。
1986年3月，王大珩、王淦昌、楊嘉墀、陳芳允四位老科學(xué)家針對(duì)美國星球大戰(zhàn)計(jì)劃，給黨中央和鄧小平同志寫了一封信，小平同志當(dāng)即批復(fù)，經(jīng)中央政治局討論拿出100億，開始了中國的“863”高技術(shù)計(jì)劃。當(dāng)時(shí)863計(jì)劃包括7個(gè)領(lǐng)域，第七個(gè)領(lǐng)域就是新材料領(lǐng)域，其中有一個(gè)新型儲(chǔ)能材料專題，包括鋰二次電池用謝謝固體電解質(zhì)材料和鎳氫電池用新型儲(chǔ)氫材料，這也為我們今天的動(dòng)力電池發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。
眾所周知，材料是電池發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。動(dòng)力電池關(guān)注的指標(biāo)，一個(gè)是能否達(dá)到消費(fèi)者希望的安全性，換個(gè)角度說，如果一旦電池和車子燃爆的話，能不能給消費(fèi)者一個(gè)足夠的逃生時(shí)間?另外一個(gè)是壽命，能否真正滿足5—10年?續(xù)駛里程能否再提高到300、400?成本能否接受?環(huán)境適應(yīng)性能否影響到不同季節(jié)的使用?
要求達(dá)到電池單體能量密度達(dá)到300Wh/kg，正極材料要達(dá)到比容量250 mAh/g以上，目前比較集中的是在高鎳的三元材料。我們的研究思路是：通過高容量正負(fù)極和電解質(zhì)材料的設(shè)計(jì)與匹配，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池在能量密度上的突破，以滿足純電動(dòng)汽車對(duì)長(zhǎng)續(xù)駛里程的需求;通過多維多尺度電極材料界面功能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電池在具有較高能量密度時(shí)兼具較高的功率密度，以滿足插電式混合動(dòng)力汽車的需求。
我們采用了構(gòu)效優(yōu)化、納米尖晶石包覆和仿生膜設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)正極材料的高容量與高功率;以有機(jī)硅工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢料為多孔硅原材料，以明膠為碳源，制備出比容量高、循環(huán)穩(wěn)定的多孔硅材料。通過導(dǎo)電聚合物包覆，實(shí)現(xiàn)了硅納米粒子與導(dǎo)電聚合物的柔性組裝，并形成膠囊結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極。在3000mA/g電流密度下，實(shí)現(xiàn)了電極的長(zhǎng)壽命(1000周)。我們已經(jīng)制備出能量密度高于300Wh/kg的鋰離子電池，但其安全性和循環(huán)性還有待提高。
對(duì)動(dòng)力電池企業(yè)來講，從粉料制備，到顛覆性涂布，到輥壓、剪切分條、極組卷繞、裝配、化成檢測(cè)，有一個(gè)特點(diǎn)，從頭到尾手不接觸電池極組，這是對(duì)動(dòng)力電池規(guī)?；?、自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。
大幅度提高電池比能量需要新的體系和相關(guān)材料。無論是電動(dòng)汽車還是手機(jī)電池都需要更高的能量密度，我們?cè)?73計(jì)劃高性能二次電池項(xiàng)目中提出了從“輕元素、多電子反應(yīng)”材料入手 ，通過多離子效應(yīng)和相關(guān)轉(zhuǎn)化機(jī)制，創(chuàng)建新的反應(yīng)環(huán)境，使“惰性”物質(zhì)轉(zhuǎn)化成“活性”的高容量電極材料，構(gòu)筑高比能二次電池新體系,制備出多電子鋰硫電池和鋁離子電池。
以鋰硫電池為例，其理論能量密度是2600Wh/kg，在2010年美國生產(chǎn)的能量密度為350Wh/kg的鋰硫電池成功用于無人機(jī)，白天時(shí)采用太陽能板供電，夜晚采用鋰硫電池，成功打破了無人機(jī)飛行336小時(shí)(14天)的記錄。鋰硫電池研究的難點(diǎn)在于如何提高單質(zhì)硫的導(dǎo)電性?如何抑制“飛梭效應(yīng)”?如何抑制鋰枝晶的產(chǎn)生?我們?cè)O(shè)計(jì)出石墨烯/碳納米管導(dǎo)電骨架，實(shí)現(xiàn)了硫電極多電子反應(yīng)與高容量化。通過納米孔限域、聚合物修飾、多元復(fù)合等技術(shù)，起到了抑制“飛梭效應(yīng)”的作用，有利于防止多硫化物溶解流失，將多聚多巴胺用于鋰硫電池電極與隔膜的包覆改性，可有效抑制“飛梭效應(yīng)”。我們制備出能量密度達(dá)到433Wh/kg的鋰硫電池，單體是5Ah。在研制過程中沒有出現(xiàn)過安全事故。
再就是鋁，鋁是地球上含量最豐富的金屬元素，理論比容量可以達(dá)到2980mAh/g，我們是在多孔鎳集流體上原位生長(zhǎng)出無黏合劑新型金屬氧化物電極，并在離子液體電解液的多陰離子協(xié)同作用下進(jìn)行脫嵌反應(yīng)，與金屬鋁構(gòu)建出具有3電子反應(yīng)特征的鋁二次電池。鋁電池當(dāng)然電壓現(xiàn)在還比較低，還需要進(jìn)一步提高。
我們還研制出三維限域納米結(jié)構(gòu)的Sb/C復(fù)合物，實(shí)現(xiàn)了3電子反應(yīng)，儲(chǔ)鈉容量達(dá)655 mAh/g，并有效緩解了電極在充放電過程中的體積膨脹，兼具良好的循環(huán)穩(wěn)定性(400周)。研發(fā)出一系列硫基復(fù)合材料、硅基復(fù)合材料、氟化物等多電子反應(yīng)新材料，為進(jìn)一步構(gòu)建450-500 Wh/kg的高比能電池示范體系提供了材料基礎(chǔ)。
追求電池高能量密度的同時(shí)也帶來了潛在的化學(xué)不穩(wěn)定性，因此，高比能電池的安全性也成為國際關(guān)注的熱點(diǎn)和難題。
我國在2016年的1月—8月，電動(dòng)車已發(fā)生14起安全事故;2016年8月份，三星Note 7開售，之后不斷爆出電池起火事故，股市一周蒸發(fā)了近200億美元，并受到國際航空公司的密切關(guān)注與限制，目前已大批量招回。
我們的研究思路是從調(diào)節(jié)和切斷電極反應(yīng)等基元步驟和關(guān)鍵材料入手，提高單體電池的安全性;通過探究電池的安全閾值邊界，提高電池系統(tǒng)安全性。這里邊實(shí)際是兩個(gè)方面，一個(gè)是單體，一個(gè)是系統(tǒng)。
在電極材料方面我們采用表面修飾方法，通過包覆溫度敏感層，當(dāng)電池內(nèi)部任一微區(qū)達(dá)到預(yù)警溫度時(shí)，可阻斷電極反應(yīng)，有效防止電池?zé)崾Э?。采用陶瓷隔膜表面修飾技術(shù)，可以提高電池的使用安全性，降低電池的內(nèi)部短路率。目前蘋果公司的高端手機(jī)，隔膜必須采用陶瓷隔膜。采用安全性功能電解質(zhì)和添加劑，可以有效提高電池的安全可靠性和溫度適應(yīng)性。
鋰離子電池和鎳氫電池、鉛酸電池最大的不同之一，就是它采用六氟磷酸鋰有機(jī)電解液，而鎳氫和鉛酸是堿性和酸性水溶液電解液，因此安全性較高。我們圍繞改善電池安全性、增強(qiáng)電化學(xué)性能和實(shí)現(xiàn)柔性化，重點(diǎn)開展了材料體相、表面、截面積晶界四個(gè)方面的研究，柔性化技術(shù)與電池新體系固態(tài)電解質(zhì)的研究結(jié)合在一起。大家可以看，電池發(fā)生的安全事故主要是由于熱失控引起的，而且其中一個(gè)主要的幾步就是從電解質(zhì)熱分解引起的，因此在電解質(zhì)當(dāng)中加入阻燃劑和添加劑，使用離子液體，采用固態(tài)電解質(zhì)從這三方面改善電池的安全性。
我們采用不可燃的無機(jī)骨架將離子液體固態(tài)化，制備出長(zhǎng)壽命高倍率的固態(tài)化電解質(zhì)、自適應(yīng)納米交聯(lián)基固態(tài)化電解質(zhì)和有機(jī)修飾的Si基離子凝膠電解質(zhì)，還有柔性固態(tài)化電解質(zhì)。我們所制備的納米交聯(lián)基的固態(tài)電解質(zhì)，同時(shí)具有高室溫電導(dǎo)率，寬電化學(xué)窗口的不可燃性，還具有自適應(yīng)的特性，可以自我調(diào)節(jié)孔徑。將離子液體固定在無機(jī)骨架中，形成了離子凝膠固態(tài)電解質(zhì)，將其原位覆蓋在電極表面，所制備的鋰離子電池具有良好的安全性能。加電解質(zhì)無機(jī)骨架形成三維、連續(xù)的納米結(jié)構(gòu)離子傳輸通道。采用了原位自組裝技術(shù)制備出介孔二氧化硅復(fù)合離子液體的固態(tài)化復(fù)合電解質(zhì)，該復(fù)合電解質(zhì)具有高的室溫離子電導(dǎo)率。
剛才講安全問題首先從材料入手，要有安全性的正極、安全性的負(fù)極、安全性的電解質(zhì)、安全性的隔膜，而且還能有機(jī)的配合，這才能做出一個(gè)好的安全性的單體。再一個(gè)是系統(tǒng)，單體做好了系統(tǒng)不好也不行。像比如三星Note7手機(jī)，其中一個(gè)問題，為了趕時(shí)間，在系統(tǒng)中省略了一些安全性的控制步驟和單元。所以我們講首先得是一個(gè)好電池，然后還得有一個(gè)好的管理系統(tǒng)，這樣的話才能夠從整體上來保證安全性，缺一不可。
動(dòng)力電池的綠色回收技術(shù)
還有一個(gè)問題是廢舊電池的綠色回收技術(shù)開發(fā)，目前二次電池已滲透到國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域，電池產(chǎn)量急劇上升，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了巨大的環(huán)境和資源壓力。
我們采用環(huán)境友好的檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸等天然有機(jī)酸回收新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了廢舊鋰離子電池的綠色高效回收(鋰和鈷浸取率分別為98%和94%)，避免了強(qiáng)酸回收處理中的二次污染。
據(jù)美國《華盛頓郵報(bào)》網(wǎng)站今年6月16日?qǐng)?bào)道：美國國家航空航天局(NASA)正在研發(fā)一款電動(dòng)飛機(jī)，以加緊推出比當(dāng)今飛機(jī)能耗更低、巡航速度更高的零排放飛機(jī)，朝著空中旅行更高效、更環(huán)保的新時(shí)代邁出了重要的第一步。這款飛機(jī)的最大航程只有約100英里(約合161公里)，飛行時(shí)間為一小時(shí)，它期待著電池技術(shù)方面的進(jìn)展。該項(xiàng)目首席工程師馬特?雷迪弗說：“如果電池的能量密度繼續(xù)像過去10年那樣迅速增加，那么你可以設(shè)想在未來5到10年，電池技術(shù)將發(fā)展到允許這款飛機(jī)轉(zhuǎn)化為商業(yè)機(jī)型的地步?！?
2002年,我們?cè)?73項(xiàng)目中提出300Wh/kg指標(biāo)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)美國的USABC計(jì)劃和日本陽光計(jì)劃提出的指標(biāo)是200Wh/kg和150Wh/kg。美國的能源部2012年投入1.2億，2016年投入5千萬美金，先后組織阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室等多家研究機(jī)構(gòu)也針對(duì)高比能電池新體系開展研究。從某種意義上說，在高比能電池研究方面，我們?cè)趪H上不再是跟蹤，而是引領(lǐng)。
今年美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的主任和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的主任先后到我們實(shí)驗(yàn)室訪問，提出了希望加強(qiáng)雙方合作的意愿。我們973項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)包括北京理工大學(xué)、中科院物理所、武漢大學(xué)、廈門大學(xué)、南開大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)和國家高技術(shù)綠色材料發(fā)展中心等單位，這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)共同奮斗了15年。
我們國家新型綠色二次電池的發(fā)展起源于鋰二次電池固體電解質(zhì)材料和鎳氫電池儲(chǔ)氫材料的研究，依賴于電池關(guān)鍵材料技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，從新材料研究入手到中國相關(guān)綠色電池產(chǎn)業(yè)的崛起，可以說是30年磨一劍，贏得了中國在國際鎳氫電池市場(chǎng)的半壁江山，爭(zhēng)得了中國與日本、韓國在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的三分天下，引領(lǐng)了國際高比能電池新體系的構(gòu)建與發(fā)展，充分體現(xiàn)了動(dòng)力電池材料的基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用，展示了其創(chuàng)新與突破對(duì)動(dòng)力電池與電動(dòng)汽車的重大影響力。
