1月10-12日，2020中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)論壇在釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館隆重召開(kāi)。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(mén)和汽車(chē)、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(kāi)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(lái)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(lèi)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(lài)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(chē)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(wú)疑問(wèn)，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(chē)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(chē)和電動(dòng)汽車(chē)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(lái)說(shuō)， 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(lái)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(lái)看一下，目前進(jìn)一步進(jìn)行電動(dòng)化主要從成本角度來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的項(xiàng)目從我們預(yù)測(cè)的成本角度來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(huà)，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(chē)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(huà)，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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(lái)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(kāi)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(lái)說(shuō)，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(lái)的穩(wěn)定性和鎳帶來(lái)的很好的導(dǎo)電性。從這里看到，如果降低鎳，提升錳的話(huà)，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(lái)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(lái)說(shuō)，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(huà)，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(lái)說(shuō)，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(méi)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(shuō)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(lái)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(lái)進(jìn)行比較，會(huì)看到實(shí)際上從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，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(guò)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(shuō)通過(guò)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(lái)說(shuō)，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(mǎn)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)放的。同時(shí)我們看到從鋰離子的角度來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)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(huà)，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(méi)有時(shí)間跟大家來(lái)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?lái)看一下硫電池的話(huà)，硫也是應(yīng)用在電池中一種新的材料。我想說(shuō)一說(shuō)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(lái)說(shuō)，能夠幫助我們把現(xiàn)有的需求能夠以?xún)杀兜姆绞竭M(jìn)行滿(mǎn)足。但是我們也知道每噸硫只用100美元就能買(mǎi)到，成本非常低，但是也存在很多的問(wèn)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(lái)說(shuō)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(méi)能完全解決的問(wèn)題。還有從陰極的角度來(lái)說(shuō)，也會(huì)存在體積的變化，都會(huì)使用大量的碳，這樣來(lái)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(lái)確保導(dǎo)電，這是一個(gè)整體的結(jié)果對(duì)照，如果我們來(lái)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(lái)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(méi)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(xiàn)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(méi)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(méi)有遵守時(shí)間?？偠灾F(xiàn)在車(chē)輛的電氣化是未來(lái)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(wàn)到四萬(wàn)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(chē)大規(guī)模的商業(yè)化，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)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！
