1月10-12日，2020中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇在釣魚臺(tái)國(guó)賓館隆重召開。本次論壇圍繞“把握形勢(shì) 聚焦轉(zhuǎn)型 引領(lǐng)創(chuàng)新”主題，邀請(qǐng)政府有關(guān)部門和汽車、能源、交通、城市、通訊等領(lǐng)域的行業(yè)機(jī)構(gòu)和領(lǐng)先企業(yè)代表，就行業(yè)、企業(yè)、政策的轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新展開深度研討。以下是美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授，Khalil Amine在本次論壇上的發(fā)言：
美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授 Khalil Amine
謝謝歐陽(yáng)教授對(duì)我的介紹。今天我想跟大家來分享一些在能源包括鋰離子電池等等這方面的一些進(jìn)展。
首先我們從這一頁(yè)內(nèi)容去看一下，它向我們展示2015年人類行為的能源流動(dòng)情況，除了交通運(yùn)輸之外，我們看到實(shí)際上運(yùn)輸行業(yè)是唯一僅依賴一個(gè)能源供應(yīng)鏈的主要行業(yè)。電力是多種能源一個(gè)統(tǒng)一的能源載體，所以實(shí)際上我們也在交通運(yùn)輸當(dāng)中浪費(fèi)了一半的能源，這種情況是不可持續(xù)的。
在美國(guó)我們看到70%的化石燃料是用于交通運(yùn)輸，85%的化石燃料消費(fèi)都是在路上的汽車所使用的。同時(shí)我們看到交通運(yùn)輸在美國(guó)是家庭支出第二大的項(xiàng)目，第一大項(xiàng)目當(dāng)然是住房了。我們也需要去實(shí)現(xiàn)更多的電動(dòng)化和更多的減排努力，同時(shí)交通運(yùn)輸現(xiàn)在毫無疑問，在電動(dòng)化方面是處在世界的領(lǐng)先地位。中國(guó)占了世界上一半的電動(dòng)汽車的生產(chǎn)量，絕大多數(shù)的地區(qū)包括像歐盟和中國(guó)我們都看到，到2020年之前，將會(huì)去實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化的目標(biāo)。
目前我們看到傳統(tǒng)汽車和電動(dòng)汽車在中國(guó)是處在一個(gè)齊頭并進(jìn)的狀態(tài)，在美國(guó)我們也看到相對(duì)來說， MPG的比例要低于另外兩個(gè)主要的經(jīng)濟(jì)體，就是中國(guó)和歐盟。在這里是我們?cè)谂聿┬侣勆缈吹降囊粋€(gè)研究，在彭博新聞他們所做的一項(xiàng)關(guān)于新能源的研究，主要是關(guān)注于在新能源方面的資金，我們看到中國(guó)是領(lǐng)先全世界的。藍(lán)色代表的是美國(guó)，綠色代表的是歐洲，在最上面深綠色代表的是世界其他地區(qū)，所以我們能夠看到中國(guó)在新能源方面的投資是在越來越快的增長(zhǎng)，而且它的體量也是世界上最大的了。但是如果我們看一下成本，仍然是進(jìn)一步的加大我們電動(dòng)化進(jìn)程一個(gè)主要的挑戰(zhàn)，同時(shí)我們也可以看到現(xiàn)在美國(guó)也在這方面做了大量的努力。
我們從成本的角度來看一下，目前進(jìn)一步進(jìn)行電動(dòng)化主要從成本角度來說，現(xiàn)有的項(xiàng)目從我們預(yù)測(cè)的成本角度來說，仍然還是我們預(yù)測(cè)成本的兩倍，同時(shí)我們也看到近期的一些目標(biāo)主要是希望成本能夠做到125美元/kWh，同時(shí)我們看到從長(zhǎng)期目標(biāo)成本的角度來說，希望能夠把它降到80-100美元/kWh。同時(shí)從這里我們能看到，不斷的去加強(qiáng)電池的能量密度，同時(shí)降低成本的話，我們前景還是非常明確的。比如在左邊展示的是現(xiàn)有的比如像聆風(fēng)電動(dòng)汽車的電池，一般是23kWh，125liters等等這樣一些數(shù)據(jù)，從這個(gè)角度，我們可以大幅縮小它的大小。另外我們需要去充分穩(wěn)定電解液它的電壓，比如如果我們能夠達(dá)到4.7V電壓的話，在下一代的技術(shù)當(dāng)中，我們就能夠去實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常顯著的提升。
從陽(yáng)極的角度來說，今天的技術(shù)實(shí)際上主要是基于石墨的，在350 mAh /g這樣一個(gè)密度，下一代是否能夠達(dá)到1000 mAh /g，從陰極的角度來說，今天的技術(shù)主要是170毫安時(shí)/克，下一代期待能夠達(dá)到250-300 mAh /g，我們從新的高能應(yīng)急的角度來看一下，在每個(gè)例子上是否能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)密度的提升，我們開發(fā)了一個(gè)新的技術(shù)叫做FCG，就是全密度的梯度的鋰離子。從這個(gè)角度來說，你會(huì)看到鎳離子是出現(xiàn)在表面層，從這方面你就能夠獲得由錳帶來的穩(wěn)定性和鎳帶來的很好的導(dǎo)電性。從這里看到，如果降低鎳，提升錳的話，就能夠在這里去有效的提升電池的效率。我們還可以選擇把這個(gè)錳和鎳兩者進(jìn)行一個(gè)分離，于是我們可以控制兩種金屬的密度。接下來我們還可以看一下，綠色的是鎳，橙色的是混合，紅色的是錳，這就是大概從結(jié)構(gòu)空間分布的角度來說，它們?nèi)齻€(gè)是怎么分布的。
我們可以看一下從FCG和NMC的比較，是6：2：2是在第一張圖，它的密度是2.5克每CC，如果看上面這些圖的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)主要的顆粒是球形的，同時(shí)從鋰遷移的角度來說，主要是顆粒邊界，我們可以看到低電壓時(shí)候的鋰的提取度是沒有那么高的。在下面這張圖中看到的是具有梯度成分的致密桿狀的結(jié)構(gòu)，在右下角這張圖介紹了一下分層的情況，以及桿狀結(jié)構(gòu)的平行的情況。在低電壓下，鋰的清除的速度相對(duì)更快，清除的程度是更徹底的。
在這里我們也是進(jìn)行了第一次充電的比較，分別是FCG811和FCG622之間的比較，我們看到在右圖當(dāng)中，從放電的容量角度，我們?cè)?25 mAh /g這樣一個(gè)密度下，能夠?qū)崿F(xiàn)具體的電壓是多少，同時(shí)我們能夠看到由于獨(dú)特的形態(tài)，從分層到初級(jí)離子方面，F(xiàn)CG622在4.3V電壓下是第一次充電能力能夠達(dá)到剛才說到的225 mAh /g。我們可以看一下在這里有很多金屬能夠給我們帶來很好的效應(yīng)，比如硅就是低成本的金屬，同時(shí)它也給我們提供了一些基于體積角度最好的一些密度方面的表現(xiàn)。我們跟其他的金屬來進(jìn)行比較，會(huì)看到實(shí)際上從應(yīng)用的角度來說，硅可以成為一種非常有前景的金屬候選。我們還可以看到實(shí)際上通過去增加陽(yáng)極的電容，能夠有效的提升電池的能量。也就是說通過這種非碳陽(yáng)極材料，同鋰離子加上儲(chǔ)能金屬的組合，我們能夠?qū)崿F(xiàn)非碳基的陽(yáng)極材料新的構(gòu)成。從下面這些數(shù)據(jù)角度來說，我們看到是在非常低的載荷下的一些數(shù)字，這些數(shù)字看上去跟現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的載荷是有很大的差距。但是我們得到的一些數(shù)字還是比較令人感到滿意的，所以在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，我們嘗試去找到一些如何能夠提升規(guī)?；l(fā)展的機(jī)會(huì)。主要基于把硅和碳作為主要的陽(yáng)極材料，我們知道像這里面介紹的主要是硅晶圓上面的材料，它的成本早就工業(yè)化了，所以降的非常低，它有高度的毒性，所以是一個(gè)非常危險(xiǎn)的材料。當(dāng)然在實(shí)際使用當(dāng)中，為了去避免出現(xiàn)中毒的情況，經(jīng)常會(huì)使用一些傳感器對(duì)它進(jìn)行高精度的檢測(cè)。同時(shí)我們可以思考使用晶圓上的材料，主要是基于高能石墨烯的陽(yáng)極材料，加上一定量的氫氣，于是我們看到在三氯硅氫能夠制備硅和氯化氫，同時(shí)我們也會(huì)看到這種材料帶來很強(qiáng)的效率上的提升，達(dá)到了80%。這里是很多半導(dǎo)體的企業(yè)，他們?cè)谧约旱膶?shí)際硅集成工藝當(dāng)中是怎么做的，在這個(gè)過程當(dāng)中，他們是用工業(yè)化的生產(chǎn)，包括生產(chǎn)罐等這種方式，通過化學(xué)反應(yīng)，在較低成本基礎(chǔ)上完成硅工藝的集成。在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)站上大家可以下載相關(guān)的一些信息，有很多信息都是開放的。同時(shí)我們看到從鋰離子的角度來說，現(xiàn)在硅基的陽(yáng)極材料加上高容量的陰極，可以給電池系統(tǒng)提供一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)來說比較中等的途徑。能夠達(dá)到的是低于125千瓦時(shí)電池的功率，同時(shí)使用一些預(yù)燃技術(shù)的話，系統(tǒng)成本可以降到1000美元/千瓦時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間有限，我們還有一些新的項(xiàng)目，但是沒有時(shí)間跟大家來介紹了。
在兩種材料當(dāng)中增加一個(gè)膜狀的結(jié)構(gòu)，去更好提升其表現(xiàn)。如果我們?cè)賮砜匆幌铝螂姵氐脑?，硫也是?yīng)用在電池中一種新的材料。我想說一說硫電池的內(nèi)容，硫之所以很有挑戰(zhàn)，是因?yàn)樗泻軓?qiáng)的容量，同時(shí)有兩個(gè)電子，從這個(gè)角度來說，能夠幫助我們把現(xiàn)有的需求能夠以兩倍的方式進(jìn)行滿足。但是我們也知道每噸硫只用100美元就能買到，成本非常低，但是也存在很多的問題。首先就是它的導(dǎo)電性，比如它是不導(dǎo)電的，你需要去融入碳，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)浮腫的情況，出現(xiàn)80%體積的浮腫，從設(shè)計(jì)的角度來說需要考慮到這一點(diǎn)。
另外就是我們也需要去考慮到硫材料是存在一些自放電的情況，這也是一個(gè)多年都沒能完全解決的問題。還有從陰極的角度來說，也會(huì)存在體積的變化，都會(huì)使用大量的碳，這樣來實(shí)現(xiàn)有效的導(dǎo)電。但是我們決定使用新型的析硫系統(tǒng)確保導(dǎo)電性，為什么呢？因?yàn)樗膶?dǎo)電性，它的導(dǎo)電效率要更高。再一個(gè)就是它的能量密度更好，導(dǎo)電率高，再一個(gè)，我們還看到它這里是具備高活性物質(zhì)的負(fù)載，另外能夠確保高體積的能量密度，除此之外，在很多的日用化學(xué)品當(dāng)中有很多的應(yīng)用，主要得益于它的屬性。再一個(gè)，它還具有價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，由于這些原因，我們使用析硫系統(tǒng)來確保導(dǎo)電，這是一個(gè)整體的結(jié)果對(duì)照，如果我們來使用不同化學(xué)結(jié)果的析硫系統(tǒng)，最后得到的重量比是什么，如果看一下右邊的區(qū)間，他們是有不同的。我們所做的是從ANL電解質(zhì)當(dāng)中來進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，所以最后我們發(fā)現(xiàn)事實(shí)上在這樣的電解質(zhì)當(dāng)中并沒有實(shí)現(xiàn)真正的分解以及溶解。除此之外，我們的實(shí)驗(yàn)室還希望確保我們能夠在更多的電解質(zhì)液當(dāng)中實(shí)現(xiàn)比較高的化學(xué)驗(yàn)證的成果，我給大家展示的這個(gè)是一個(gè)2D的等高線圖，在這個(gè)圖當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)事實(shí)上邊緣的位置并沒有出現(xiàn)明顯的偏移。這兩張圖有很多峰值，左邊顯示有多個(gè)還原峰值，右邊只有一個(gè)峰值。具體的數(shù)據(jù)也展示在圖表當(dāng)中。在這樣的情況下，我們能夠達(dá)到較高的充電率，比如在2C的情況下能夠達(dá)到很高的充電率。我們希望能夠把這樣的技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。
下面我想做一個(gè)總結(jié)，不知道我有沒有遵守時(shí)間?？偠灾?，現(xiàn)在車輛的電氣化是未來一個(gè)大趨勢(shì)，但是發(fā)展的速度卻比較慢。我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在成本也是一個(gè)居高不下的要素，所以我們需要降低成本。有時(shí)候成本可能能夠達(dá)到三萬到四萬美元之高，所以成本是現(xiàn)在一個(gè)主要的障礙。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它阻礙電動(dòng)汽車大規(guī)模的商業(yè)化，為了解決這個(gè)問題，我們開發(fā)實(shí)現(xiàn)了增加電池能量方式的系統(tǒng)，剛剛為大家舉的例子，第一個(gè)就是我們新型高能鋰離子系統(tǒng)，再一個(gè)就是我剛剛為大家介紹的析硫系統(tǒng)，作為導(dǎo)電的材質(zhì)，能夠更加有效的使得電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)消除溶解還有穿梭效應(yīng)。謝謝！
