中國儲能網(wǎng)訊：9月23-24日，“2016中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇暨車企與動力電池企業(yè)技術(shù)交流會”在張家港盛大召開。中國科學(xué)院物理研究所清潔能源實(shí)驗(yàn)室納米離子與納米能源材料研究組研究員、博士李泓做重要演講，李泓博士的演講主題為“動力電池新材料研發(fā)進(jìn)展”。以下為電動汽車資源網(wǎng)整理的李泓博士演講內(nèi)容：
中國科學(xué)院物理研究所清潔能源實(shí)驗(yàn)室納米離子與納米能源材料研究組研究員、博士李泓
非常高興有機(jī)會加入到這個產(chǎn)業(yè)化的高峰論壇，今天我主要跟大家討論“動力電池的新材料的發(fā)展”。剛剛非常高興聽到新能源汽車行業(yè)各位專家關(guān)于汽車方面的精彩演講，以及王英博士介紹的對整個系統(tǒng)的探討。今天我所探討的是動力電池新材料研發(fā)進(jìn)展。我們非常希望在材料方面也做到正向，對我們來說是比較難的。從企業(yè)來說首先是安全性，可靠性，還有成本技術(shù)指標(biāo)提出了系列的要求，這里面底線的指標(biāo)和長期發(fā)展的指標(biāo)都是非常高的。政府和國家對動力電池提出了非常高的能量密度的要求。像新能源汽車今年發(fā)布的項(xiàng)目，對于基礎(chǔ)研究的項(xiàng)目，希望鋰離子電池能量密度做到400Wh/kg，新體系電池樣品能量密度做到500Wh/kg。對企業(yè)來說300Wh/kg也是不容易的，要開發(fā)很多新的體系?！吨袊圃?025》要求做到400wh/kg以上，提出的一些方案里面關(guān)鍵詞主要是電池這兩個差距還是比較大的。
從產(chǎn)品指標(biāo)的角度考慮這個問題，我們再對比一下各個國家政府的相關(guān)要求。剛剛提到了《中國制造2025》，底下是日本的往上累的是中國和美國的競賽，今年啟動了3個專項(xiàng)都涉及到動力電池。
大家都希望將來是400wh/kg，為什么做這個指標(biāo)？多出自鋰離子電池安全性考慮。以北汽新能源EV200舉例，其百公里能耗為14kwh，壽命要求是10年20萬公里，而成本上現(xiàn)在已經(jīng)降低了許多。動力電池今后的發(fā)展，達(dá)到同樣續(xù)航里程的成本比目前高不少，所以說電動汽車的動力電池不發(fā)展到高能量，將來在純電動汽車上會面臨更激烈的競爭，甚至被燃料電池碾壓的情況。
從實(shí)際的發(fā)展角度看，整個的發(fā)展是很慢的而且是比較穩(wěn)健的，主要是技術(shù)和材料的升級換代，即便是按照路線去看的話，如果我們還能跟上現(xiàn)在發(fā)展的速度你到2020年就是做到300，2030年就是390瓦時每公斤，這個路線圖怎么一點(diǎn)一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，第二個到底能不能實(shí)現(xiàn)400瓦時每公斤甚至更高的？
1990-2025鋰電池能量密度發(fā)展路線圖
液態(tài)電解質(zhì)鋰電池電池已經(jīng)發(fā)展了三代，去年有一個詳細(xì)的介紹，主要的就是在正極材料方面每一個都在升級換代，提高了電壓或者是容量；負(fù)極方面主要的變化，能量學(xué)的電池里面，把納米硅碳引入在電解液里面加入一些技術(shù)，包括陶瓷涂布的隔膜等等。現(xiàn)在看的鋰電池電池到底能做多高呢？低能量的密度確實(shí)非常好，就是犧牲了循環(huán)性更不用提安全性，實(shí)現(xiàn)了高能量，但是不是說循環(huán)性不能提高，還需要一些細(xì)致基礎(chǔ)的研究，這是法國的調(diào)查公司他看到的對材料的一個看法越來越多，現(xiàn)在很多團(tuán)隊(duì)和同仁都比較熟悉我就不細(xì)說了。
但是對于電池材料來說，有很多的問題和性能的要求，同時采取了至少有13種以上的技術(shù)來綜合地解決這方面的技術(shù)，每一根線都有很多細(xì)節(jié)的技術(shù)和內(nèi)容，你更換一個材料的時候，整個電池會很復(fù)雜地變化，研發(fā)這個電池材料特別慢，一般的需要十幾年以上，現(xiàn)在的很多團(tuán)隊(duì)和公司已經(jīng)在開發(fā)300瓦時每公斤的鋰電池了?，F(xiàn)在在這個方面最難的一個問題就是高的負(fù)極容量帶來高的體積膨脹，那你在電芯層面上非常難涉及，核心的問題就是怎么解決在充電之后的體積膨脹能夠滿足現(xiàn)在的電芯企業(yè)的要求，另外就是說這些高能量密度的實(shí)現(xiàn)是可以的，但是他的綜合接入指標(biāo)能不能滿足應(yīng)用要求？是什么樣的上限這個不太清楚，這個里面有一些解決的方案，時間關(guān)系就不詳細(xì)討論了，歡迎大家有機(jī)會我們交流這方面的技術(shù)。
另外政府上要做400wh/kg和500wh/kg，這個經(jīng)過計(jì)算有一個模型，把現(xiàn)在石墨的負(fù)極，硅負(fù)極金屬鋰也放這里，如果做到800瓦以上還有機(jī)會，400wh/kg，500wh/kg還有一些解決方案，但是實(shí)現(xiàn)是非常難的，NC最高做到200，負(fù)鋰做到300，不同的負(fù)極材料這個是系統(tǒng)的計(jì)算，從計(jì)算上看似乎還是說有一些正負(fù)極材料的匹配實(shí)現(xiàn)高的密度，前面都是虛的計(jì)算，科學(xué)院在這方面的工作?？茖W(xué)院為了加強(qiáng)研發(fā)成果能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，解決實(shí)用問題，啟動了戰(zhàn)略先導(dǎo)A類項(xiàng)目，其中有一個納米項(xiàng)目，就是把過去20多年了科學(xué)院研究的納米技術(shù)爭取集中支持一下，希望對產(chǎn)業(yè)有一個幫助，在這些項(xiàng)目里面其中第一個就是動力電池，納米材料和納米技術(shù)很可能會用上。
對這類項(xiàng)目的要求，原來負(fù)責(zé)這個項(xiàng)目的陰和俊副部長提出，我們做的事情目標(biāo)清楚、要能用上、可考核，經(jīng)過第三方考核的，材料用的上，技術(shù)用的上，最后用上水平怎么樣，有沒有影響，影響能力多大有很多的指標(biāo)考核，所以這樣的項(xiàng)目就非常難了。他提出了具體的指標(biāo)，國家已經(jīng)提出來了2020年要做到300瓦時每公斤，到2015年要實(shí)現(xiàn)150瓦時每公斤，相關(guān)的電池材料正極電解質(zhì)隔膜等等也需要開始產(chǎn)業(yè)化。為了完成這個項(xiàng)目設(shè)了幾個主要的內(nèi)容，一個是60%的經(jīng)費(fèi)到70%的經(jīng)費(fèi)用到了鋰電池方面，開發(fā)高能量的正極、負(fù)極，高電壓的電解液，高安全的隔膜，集成在動力電池上面，從長遠(yuǎn)考慮我們需要布局固態(tài)電池，空氣電池在這方面也安排了。另外就是今天早上的陳老師提到了檢測水平，國內(nèi)的檢測水平還是有的，但是建了兩個平臺，我簡單匯報(bào)一下結(jié)果。有12家單位，大概有300人的研發(fā)隊(duì)伍，涉及各個方面。一個是硅負(fù)極，之后一直在做這方面的科學(xué)技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)19年，相當(dāng)難的事情。最近是在從應(yīng)用的角度一直在開發(fā)這個事情，主要的技術(shù)路線包括兩類，一個是SiOx/C，一個是Nano-Si，主要是從綜合的技術(shù)指標(biāo)不斷的迭代，2013年得到支持以后，可以做到批次500公斤的水平，大概是綜合的設(shè)計(jì)考慮，我在這里展示的是我們思想不是真實(shí)的事情。導(dǎo)入添加劑等等還是非常難的，納米歸談里面的難點(diǎn)是怎么樣得到100塊錢每公斤的納米硅，第二個如何把納米硅在顆粒當(dāng)中均勻的分散？
現(xiàn)在做到的是這樣的材料，大概是把納米硅分散在顆粒當(dāng)中，能夠進(jìn)入到批量的生產(chǎn)，在450毫安每時材料當(dāng)中，一般循環(huán)500次左右是高容量的負(fù)載，但是前面開發(fā)的氧化亞硅都在開發(fā)，但是效率低，納米硅碳的容量高都不是滿意的解決方案，所以我們正在開發(fā)新一代的富硅氧化物材料，減少帶來的挑戰(zhàn)。
這個新材料公司目前在國內(nèi)還在第三或者是第二位的，這里面就解決了一系列的技術(shù)問題，我就不詳細(xì)說了，負(fù)極材料有進(jìn)展，正極材料我們積累的比較少。在這個項(xiàng)目支持之后，主要針對高容量的等級，這個材料難的地方就是電壓衰減，這個工作當(dāng)中主要是通過表面結(jié)構(gòu)重新的重構(gòu)，解決了電壓衰減的問題，因此就可以開始試用，今年是在500公斤的量級。
另外一個材料就是高電壓的尖晶石，比較容易切換過來，最難的是用了這個材料以后電解液等等需要全面的升級，所以這個方面還是需要提升，特別是高溫55度的問題。為了解決高電壓富鋰材料，這個在國內(nèi)上是非常重要的也是也很有挑戰(zhàn)，現(xiàn)在可以在高電壓當(dāng)中相對來說穩(wěn)定的循環(huán)，在電解液方面還有添加劑。隔膜我們感覺直接用還是有點(diǎn)問題，所以說開發(fā)陶瓷隔膜，同時用纖維素的基材，耐高溫，但是這個好象還不能最終用在我們的電池上，主要就是一致穩(wěn)定性，現(xiàn)在是小試到中試的階段，但是展示的前景是有一些希望，纖維素隔膜加上陶瓷顆粒，其實(shí)我們還開發(fā)了離子導(dǎo)電涂層隔膜。
石墨烯都開發(fā)了很長時間了，以及涂層的技術(shù)，都能做到幾十噸量產(chǎn)的水平，用剛剛的材料做了初步的電池，這個電池可以做到375瓦時每公斤，但是循環(huán)性不行，容量低循環(huán)好，主要是在高體積膨脹下怎么解決一系列輔助材料的問題。
最后我介紹一下固態(tài)金屬鋰，理論計(jì)算上考慮，鋰電池的提升，還有一個可能還用鋰電池的電池，金屬鋰電池，還有空氣電池，包括了氧、水、二氧化碳等不同的電池的體系，在剛剛的計(jì)算結(jié)果當(dāng)中可以看到綠色的金屬鋰比較高，硅負(fù)極比較厲害，如果2000毫安的硅，膨脹在200以上這個相對來說，鋰的膨脹更容易解決一些，如果沖擊更高能量的電，還能用后電池的想法，但是這個力學(xué)等等還有一些挑戰(zhàn)。
金屬鋰電池已經(jīng)研發(fā)了50多年，特別是80-90年代有很嚴(yán)重的問題，目前沒有證據(jù)表明金屬鋰電池是安全的。用金屬鋰電池改變的問題，主要是非均勻的沉積和析出跟石墨和硅不一樣，第二個是SEI膜不穩(wěn)定，所以很多人還是希望用固態(tài)解決這個問題。固態(tài)的一個關(guān)鍵點(diǎn)就是說可能在理論上解決，所以有很多的安全性和好處，以及循環(huán)系數(shù)的好處，另外還可以做內(nèi)串，比如說聚合物類的，以及添加一些液體的電解液，在國際上有很多的公司投入很多，但是從實(shí)際的角度考慮，能量密度高的電池目前沒有做出來，這里面關(guān)鍵的問題是正極這一塊的電阻怎么解決的問題。
我介紹一下科學(xué)院做的工作，一個是中國科學(xué)院寧波材料團(tuán)隊(duì)做的，還有就是上海硅酸鹽研究所郭向欣團(tuán)隊(duì)做的實(shí)驗(yàn)，另外我們最近提出來做原位固態(tài)化的思想，用基本上兼容現(xiàn)在疊片式的，目前初步得到了一個高的體積能量密度，電極化也是非常小的，這個是后期要發(fā)展的。從電池發(fā)展的角度來看，現(xiàn)在的鋰電池軟包從15-20液體的含量，全固態(tài)金屬鋰電池負(fù)極都是金屬鋰，整個電池當(dāng)中沒有任何的液體，可能是過程當(dāng)中感覺為了提高能量密度，同時兼顧安全性，從凝膠半固態(tài)到固態(tài)可能是一個發(fā)展的路子，目前像東芝還有國外的公司也在探索當(dāng)中，只是要解決這個不同的液體到底是什么東西，這里面還有很多的細(xì)節(jié)要研究的地方。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度，固態(tài)電池區(qū)別的就是固態(tài)電解質(zhì)，可能會用到金屬鋰電池，鋰電池也是很強(qiáng)大，這個實(shí)際上就是在產(chǎn)業(yè)的發(fā)展當(dāng)中，一旦電芯技術(shù)關(guān)鍵材料可以突破，就可以迅速進(jìn)入到市場當(dāng)中去，所以我們提出了一些路線圖，也許最快在2019年拿出電池包來，2020年有可能試水到商業(yè)化的程度，有一些全固態(tài)的還比較慢，真正的全固態(tài)可能要更長的時間，稍微含有一點(diǎn)液體的電池會比較快，因?yàn)榧骖櫫四芰棵芏群桶踩浴?
最后感謝一下在物理所工作的團(tuán)隊(duì)，還有高校的團(tuán)隊(duì)和一些企業(yè)，還有一些經(jīng)常在一起交流的公司，感謝這幾個國家項(xiàng)目的支持，謝謝！
