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吳鋒:中國動力電池企業急需創新發展 将面臨洗牌(附演講實錄)
發布時間:2019-07-08 11:18
關鍵詞: 吳鋒

經國務院批準,世界新能源汽車大會(WNEVC)于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召開。大會着眼于全球汽車産業的轉型升級和生态環境的持續改善,通過聚集全球專家智慧和産業精英,共同交流探讨新能源汽車在技術創新、産業創新、政策創新、市場模式創新等領域的成功經驗與發展趨勢,凝聚産業共識,明晰汽車産業轉型升級的方向,探索電動化、智能化、共享化協同發展的有效路徑。在2日下午的全體大會上,北京理工大學教授、中國工程院院士吳鋒發表了演講。

北京理工大學教授、中國工程院院士 吳鋒

 

  以下為演講實錄:

  各位來賓下午好!

  非常高興參加這次會議,現在我向大家報告一下,我們在動力電池和相關材料研發方面的一些進展。

  中國從“七五”開始,國家科技部就開始立題,啟動了新型二次電池關鍵材料的研究,“八五”開始又針對電動汽車啟動了相關材料和電池及零部件的研究,經曆“九五”、“十五”一直到現在“十三五”。我也從頭見證和親身經曆了上述過程。

  到2020年國家對于動力锂離子電池能量密度的指标是300Wh/kg,現在一些電池企業已經初步達到了這個指标,還在進一步提高綜合性能。這是2017-2018年,我們國家動力電池配套的排名,大家可以看到80%都集中在甯德時代新能源和比亞迪等少數幾家企業,随着國家補貼的退坡,動力電池企業下一步也面臨新一輪洗牌,可能會有比較大的動靜。

  從2018年動力電池所用材料體系的統計結果來講,磷酸鐵锂、三元、錳酸锂等材料中,占比最多的是三元材料。但在國家補貼退坡後,随着磷酸鐵锂材料的性能進一步提高和它在安全性方面的一些優勢,它是否會在動力電池市場有新一輪崛起,還有待觀察。

  在技術進展方面,我們把新一代高比能锂離子電池正極材料的研發重點放在了富锂錳基材料方面。北京大學等單位在高比容富锂錳基材料研究方面取得了突破。我們團隊在仿生膜設計,通過界面保護提高材料穩定性,構築選擇性锂離子通道,提高材料倍率性能方面也進行了一系列的研究。

  在新型負極材料方面,我們也進行了無集流體,無黏結劑電極方面的嘗試,可以提供更多電化學位點,從而提高電極比容量。在锂硫電池正極材料方面,我們利用雙“費歇爾酯化”的模塊組裝方法,将分散的導電碳組裝為橢球型的微米超結構,顯著提高了正極單位面積的硫載量,電池能量密度達到545Wh/kg。在動力電池安全性方面,我們從材料入手,包括研制出溫度敏感電極、陶瓷高強隔膜、安全電解質等顯著提高了電池的夲征安全性。還研制出基于納米TiO2與離子液體的新一代凝膠固态電解質,具有高室溫電導率與顯著的安全性(1300℃/60s不燃)。在系統安全性方面,基于我們提出的電池安全阈值邊界的識别與控制概念,建立了相關的安全狀态的數學模型,通過建立這個數學模型,可以将量化的安全度實時顯示在電動汽車儀表盤,給司機提供可視化的安全預警。

  在動力電池回收再生和再利用方面,我們研發出天然有機酸綠色高效回收技術,钴、锂、鎳的浸取率達到92%以上。把回收過來的材料再做成正極,并符合正極材料的要求,這形成一個内循環,從廢舊正極的回收到正極材料的再生。

  還有一個外循環,像廢舊電池的負極,大家知道主要是碳,碳價格并不高,我們将碳回收,做成了碳吸附劑,可以用來吸附磷,高達588mg/g,把這種吸附劑放在太湖、滇池等嚴重磷污染的湖水中,能夠處理污水,再把處理後的含磷吸附劑,放到土壤裡,作為磷肥緩緩釋劑,形成一個外循環,因為這個需求量也很大。

  在動力電池技術發展方面,今後主要還是集中在提高安全性、提升比能量,提高壽命、控制成本方面,當然壽命和成本本身也是密切相關的。

  在高比能正極材料方面,大家在做高鎳或者做低钴、無钴的材料,目前低钴是大趨勢。剛才說了,富锂錳基是下一代高比能锂離子電池的主要正極材料,因為在研究當中發現,在這個體系裡,氧參與了反應,也就是說從單電子上升為多電子反應,為锂離子電池能量密度的大幅度提升提供了材料基礎。

  對新型負極材料而言,矽碳複合還是研發重點,純矽還要再遠一點。負極材料在納米化方面還有很多研究的空間。

  電解質是影響锂離子安全的主要因素之一,在向固态化方向發展,我覺得目前還達不到全固态,我們研制出新型仿生蟻穴結構的新型離子凝膠電解質,在锂金屬表面形成保護層,可有效抑制锂枝晶生長。電池材料在仿生方面的研究有利于電池本身的綠色化。

  動力電池隔膜需要高穩定性,在保證強度的基礎上,有待進一步輕質和薄型化。

  動力電池正邁向固态化時代,現在硫化合物和聚合物的結合還是比較看好的,但是我總覺得還是一步一步來,從準固态向固态發展。

  锂硫電池雖然有很高的理論質量能量密度,但它的體積能量密度目前還難以滿足新能源汽車的要求。北京交通非常堵,如果在堵車的時候車子可以騰空往前走幾百米再下來,這個地方是可以考慮用锂硫電池的,因為它輕,目前主要可用于無人機。

  我們973團隊還進行了光充電二次電池的研究,在化學電源中加入了物理電源的色彩,如果能通過光充電二次電池,解決電池超長時間的儲存也是很有意義的。如果把葉綠素作為添加劑引進,就又把生物效應放進去了。希望能夠引發一些創新性的思維。

  在2002年,我們在第一期973項目中提出了多電子反應,6年後在第二期973項目中提出了輕元素多電子反應,在第三期973項目中又提出了輕元素、多電子、多離子反應,能量密度從300Wh/kg,到400Wh/kg,到500Wh/kg,上了三個台階,把電池反應從單電子反應轉變為多電子反應,這種新體系對提升二次高比能電池比能量是非常有意義的,也引起了國際同行的重視。

動力電池梯次利用,大型儲能系統所需的管理電池是動力電池數量的幾百倍甚至更多,針對于退役動力電池的一緻性和先進的電池管理控制軟件系統提出了更高的要求和挑戰。在電池管理控制系統技術不成熟的前提下,退役動力電池用作移動應急電源等小型儲存系統更為合适。按照現在的技術,馬上把電動汽車電池退役之後用在太陽能和風電的儲能,從小到大,我認為如何保證電池的均勻性和電池系統的安全可靠性,還有待商榷,需要認真研讨。

  根據3R&3E策略,采取多種方法回收有價金屬,降低各類污染,日本在這方面有許多成功的經驗。

  在保障安全性前提下,繼續開發高能量密度、功率密度、低成本、高可靠性的動力電池體系,建立完整的動力電池梯次利用和電池回收再利用體系,加快推進新能源汽車發展。另一方面,技術發展的不确定性,意味着可能随時被颠覆;中國動力電池目前狀況是總體産能過剩,優質産能不足,急需進一步創新發展,以期取得具有颠覆性的技術突破。然而要知道,一個真正從基礎研究做起來的颠覆性創新,并不是一蹴即成的,不能急于求成,有時候這個事情要做五年十年或者十五年。美國能源部最近對動力電池提出了更高的性價比指标,所以我覺得從整個材料體系和電池體系來講,我們都要有些創新性的思路。

  謝謝大家。

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