中國儲能網(wǎng)訊：11月26日—27日，百人會?清華大學新能源汽車產(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。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爭力的品牌，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“電動汽車核心技術(shù)突破與創(chuàng)新”。
高層研修班作為中國電動汽車百人會為汽車產(chǎn)業(yè)服務(wù)的一個重要平臺，時刻關(guān)注著汽車產(chǎn)業(yè)的相關(guān)熱點話題。目前第三期研修班已圍繞動力電池、新能源汽車產(chǎn)業(yè)投融資、智能汽車與交通等熱點問題舉辦了三次研修班課程。
此次課程，北京理工大學教授、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)首席專家吳峰為學員們帶來了精彩的內(nèi)容。
北京理工大學教授、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)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)的跨學科、跨領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用。曾幾何時，“晶體管-印刷電路”的出現(xiàn)顛覆了真空管技術(shù)，進而在摩爾定律的指引下，印刷電路的線寬不斷減小，使計算機小型化、微型化。因此，信息技術(shù)不但進入了生產(chǎn)、生活 、社會各個領(lǐng)域，還使全球真正進入了信息化時代。
汽車智能化也可以說是一個顛覆性技術(shù)。上世紀90年代出現(xiàn)的數(shù)碼相機，徹底顛覆了彩色照相技術(shù)。使原先以光化學為基礎(chǔ)的彩色膠卷整個行業(yè)都被顛覆，從而使柯達、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)，可能對產(chǎn)業(yè)和人們的生活產(chǎn)生非常大的影響，包括移動通訊等，還可以改變商業(yè)和金融的模式。
今天，電動汽車已進入了我們的生活，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汽車，一些公共場所和小區(qū)的停車場也出現(xiàn)了不少的充電樁。在全球，經(jīng)歷了幾起幾落、幾落幾起的電動汽車，在電池技術(shù)進步的推動下，迎來了空前的發(fā)展，也對動力電池提出了越來越高的要求，使其成為當前國際競相研發(fā)的熱點。新型動力電池已成為引人關(guān)注的話題和金融投資界青睞的對象，其中也不乏被人炒作，引發(fā)躁動。
2001年以來，國家確定了發(fā)展電動汽車的戰(zhàn)略，連續(xù)四個五年計劃實施了專項支持和配套政策，促進了電動汽車等相關(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，已成為動力電池技術(shù)不斷進步的強大動力。
在《國家中長期科學與技術(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”國家重點專項中均明確提出重點支持動力電池關(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?，F(xiàn)在提出這么高的能量密度指標，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。
動力電池的發(fā)展正處于關(guān)鍵階段
目前動力電池正處于一個關(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比，如果不是由市場決定，急于一下子把產(chǎn)能搞上去，會很被動，不利于鼓勵創(chuàng)新。雖然加大產(chǎn)能有利于降低成本和生產(chǎn)過程的自動化，但不應(yīng)不顧市場，單方面強調(diào)產(chǎn)能，一旦新技術(shù)出來之后怎么辦?生產(chǎn)設(shè)備會不會面臨淘汰?一定要考慮電池的綜合性能和成本，高比能可以作為一個努力的目標和方向。
1986年3月，王大珩、王淦昌、楊嘉墀、陳芳允四位老科學家針對美國星球大戰(zhàn)計劃，給黨中央和鄧小平同志寫了一封信，小平同志當即批復(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)計劃。當時863計劃包括7個領(lǐng)域，第七個領(lǐng)域就是新材料領(lǐng)域，其中有一個新型儲能材料專題，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氫材料，這也為我們今天的動力電池發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。
眾所周知，材料是電池發(fā)展的先導和基礎(chǔ)。動力電池關(guān)注的指標，一個是能否達到消費者希望的安全性，換個角度說，如果一旦電池和車子燃爆的話，能不能給消費者一個足夠的逃生時間?另外一個是壽命，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?
要求達到電池單體能量密度達到300Wh/kg，正極材料要達到比容量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：通過高容量正負極和電解質(zhì)材料的設(shè)計與匹配，實現(xiàn)鋰離子電池在能量密度上的突破，以滿足純電動汽車對長續(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，實現(xiàn)電池在具有較高能量密度時兼具較高的功率密度，以滿足插電式混合動力汽車的需求。
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，實現(xiàn)正極材料的高容量與高功率;以有機硅工業(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。通過導電聚合物包覆，實現(xiàn)了硅納米粒子與導電聚合物的柔性組裝，并形成膠囊結(jié)構(gòu)的硅負極。在3000mA/g電流密度下，實現(xiàn)了電極的長壽命(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。
對動力電池企業(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，有一個特點，從頭到尾手不接觸電池極組，這是對動力電池規(guī)模化、自動化生產(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。無論是電動汽車還是手機電池都需要更高的能量密度，我們在973計劃高性能二次電池項目中提出了從“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，白天時采用太陽能板供電，夜晚采用鋰硫電池，成功打破了無人機飛行336小時(14天)的記錄。鋰硫電池研究的難點在于如何提高單質(zhì)硫的導電性?如何抑制“飛梭效應(yīng)”?如何抑制鋰枝晶的產(chǎn)生?我們設(shè)計出石墨烯/碳納米管導電骨架，實現(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，理論比容量可以達到2980mAh/g，我們是在多孔鎳集流體上原位生長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。鋁電池當然電壓現(xiàn)在還比較低，還需要進一步提高。
我們還研制出三維限域納米結(jié)構(gòu)的Sb/C復(fù)合物，實現(xiàn)了3電子反應(yīng)，儲鈉容量達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也帶來了潛在的化學不穩(wěn)定性，因此，高比能電池的安全性也成為國際關(guān)注的熱點和難題。
我國在2016年的1月—8月，電動車已發(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。這里邊實際是兩個方面，一個是單體，一個是系統(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，當電池內(nèi)部任一微區(qū)達到預(yù)警溫度時，可阻斷電極反應(yīng)，有效防止電池熱失控。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，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、增強電化學性能和實現(xiàn)柔性化，重點開展了材料體相、表面、截面積晶界四個方面的研究，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骨架將離子液體固態(tài)化，制備出長壽命高倍率的固態(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)，同時具有高室溫電導率，寬電化學窗口的不可燃性，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、安全性的負極、安全性的電解質(zhì)、安全性的隔膜，而且還能有機的配合，這才能做出一個好的安全性的單體。再一個是系統(tǒng)，單體做好了系統(tǒng)不好也不行。像比如三星Note7手機，其中一個問題，為了趕時間，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好電池，然后還得有一個好的管理系統(tǒng)，這樣的話才能夠從整體上來保證安全性，缺一不可。
動力電池的綠色回收技術(shù)
還有一個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)濟和人民生活的各個領(lǐng)域，電池產(chǎn)量急劇上升，對社會產(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酸回收新技術(shù)，實現(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%)，避免了強酸回收處理中的二次污染。
據(jù)美國《華盛頓郵報》網(wǎng)站今年6月16日報道：美國國家航空航天局(NASA)正在研發(fā)一款電動飛機，以加緊推出比當今飛機能耗更低、巡航速度更高的零排放飛機，朝著空中旅行更高效、更環(huán)保的新時代邁出了重要的第一步。這款飛機的最大航程只有約100英里(約合161公里)，飛行時間為一小時，它期待著電池技術(shù)方面的進展。該項目首席工程師馬特?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)展到允許這款飛機轉(zhuǎn)化為商業(yè)機型的地步?！?
2002年,我們在973項目中提出300Wh/kg指標的時候，當時美國的USABC計劃和日本陽光計劃提出的指標是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驗室和西北太平洋國家實驗室等多家研究機構(gòu)也針對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，我們在國際上不再是跟蹤，而是引領(lǐng)。
今年美國西北太平洋國家實驗室的主任和阿貢國家實驗室的主任先后到我們實驗室訪問，提出了希望加強雙方合作的意愿。我們973項目的團隊包括北京理工大學、中科院物理所、武漢大學、廈門大學、南開大學、清華大學、吉林大學和國家高技術(shù)綠色材料發(fā)展中心等單位，這個團隊已經(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的半壁江山，爭得了中國與日本、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)了動力電池材料的基礎(chǔ)和先導作用，展示了其創(chuàng)新與突破對動力電池與電動汽車的重大影響力。
