朱天民:重力电瓶面对新生龙活虎轮洗牌 正迈向固

除了锂硫电池,吴锋院士还介绍,北京大学等单位在高比容富锂锰基材料研究方面也取得了突破。“我们团队在仿生膜设计,通过界面保护提高材料稳定性,构筑选择性锂离子通道,提高材料倍率性能方面也进行了一系列的研究。”他表示。

非常高兴参加这次会议,现在我向大家报告一下,我们在动力电池和相关材料研发方面的一些进展。

要让电池变成“肌肉型男”,在获得合理的正负极材料之余,还需要设计出可行的加工工艺。例如,富锂化合物在电极中需要很好地分散开来,既保持在体系中60%以上的含量,又不凝结为块状。分散越均匀,可逆性越好,充放电效率越好。

吴锋2014年当选国际欧亚科学院院士;2016年获国际车用锂电池协会首次颁发的终身成就奖;2017年当选亚太材料科学院院士、中国工程院院士。他曾任国家高技术(863)功能材料专家组成员、副组长,国家高技术(863)新材料领域专家委员会委员、常委,国家科技部镍氢电池专家组组长和国家高技术(863)电动汽车重大专项总体组专家。

还有一个外循环,像废旧电池的负极,大家知道主要是碳,碳价格并不高,我们将碳回收,做成了碳吸附剂,可以用来吸附磷,高达588mg/g,把这种吸附剂放在太湖、滇池等严重磷污染的湖水中,能够处理污水,再把处理后的含磷吸附剂,放到土壤里,作为磷肥缓缓释剂,形成一个外循环,因为这个需求量也很大。

也就是说,团队首先遇到的问题是:阴离子氧化还原能力受什么“左右”?揭示这一规律将引导团队接近并找到性能优良的电极。团队还发现,在物质内部原子之间的几何结构会影响电子的结构,从而影响阴离子氧化还原的能力,研究明确了结构和效能的关系,并希望通过结构的设计改善电极材料的电化学性能。

在动力电池安全性方面,吴锋院士的研究团队从材料入手,包括研制出温度敏感电极、陶瓷高强隔膜、安全电解质等,显著提高了电池的本征安全性。还研制出基于纳米TiO2与离子液体的新一代凝胶固态电解质,具有高室温电导率与显著的安全性。

在动力电池回收再生和再利用方面,我们研发出天然有机酸绿色高效回收技术,钴、锂、镍的浸取率达到92%以上。把回收过来的材料再做成正极,并符合正极材料的要求,这形成一个内循环,从废旧正极的回收到正极材料的再生。

“枝晶锂”是锂离子电池采用液态电解质所特有的,锂离子还原结晶成树枝样,并不断生长,到一定程度可能会刺破隔膜,科学家目前正在从两个角度寻求突破。一是包被涂层,二是研究固体电解质。

吴锋院士自主开发出一系列锂离子电池关键新材料、电池制备新工艺和电池安全性技术,为我国锂电产业更新换代,进入国际高端产品市场,提供了技术支持;提出通过系列关键材料的协同作用提高电池本征安全性,发明了安全性电极、复合型陶瓷类聚合物隔膜、具有阻燃性和电化学兼容性的电解质体系;率先提出电池系统安全阈值边界的概念,并开发出识别与控制技术。

在高比能正极材料方面,大家在做高镍或者做低钴、无钴的材料,目前低钴是大趋势。刚才说了,富锂锰基是下一代高比能锂离子电池的主要正极材料,因为在研究当中发现,在这个体系里,氧参与了反应,也就是说从单电子上升为多电子反应,为锂离子电池能量密度的大幅度提升提供了材料基础。

被欧阳明高点名的科研项目获得了国家重点研发计划的支持,全名为“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”,该研究基于研究团队研制出的高容量富锂锰基的正极材料,汽车动力电池的储能将有可能提高至400瓦时/公斤。

“在锂硫电池正极材料方面,我们利用双‘费歇尔酯化’的模块组装方法,将分散的导电碳组装为椭球型的微米超结构,显著提高了正极单位面积的硫载量,电池能量密度达到545Wh/kg。”中国工程院院士、北京理工大学教授吴锋日前介绍了其研究团队在锂电池新型材料研究方面的最新进展。

根据3R&3E策略,采取多种方法回收有价金属,降低各类污染,日本在这方面有许多成功的经验。

“提高正极材料中的含锂量,让更多的阴离子稳定参与氧化还原反应是一个重要途径。”夏定国说,研制出高容量富锂正极材料,为进一步提高动力电池的能量密度提供了可能。项目组除制备出了一种高容量的富锂正极材料和两种高容量、高稳定富锂材料—碳复合材料外,还制备出了高容量的锂电池负极材料。

吴锋院士长期从事新型二次电池与相关能源材料的研究开发,率先提出采用轻元素、多电子、多离子反应体系实现电池能量密度跨越式提升的学术思想,研发出高比能二次电池新体系与关键材料,得到国际同行的瞩目与高度评价。

吴锋认为,动力电池正迈向固态化时代,现在硫化合物和聚合物的结合比较被看好,但还应一步一步来,从准固态向固态发展。此外,动力电池隔膜需要高稳定性,在保证强度的基础上,有待进一步轻质和薄型化。

近年来,在国家政策的大力扶持下,我国新能源汽车得到迅速普及,但“不敢去远郊区县”的“梗”至今难以理顺。打破500公里的单次行程极限将大大推动电动汽车的推广,然而汽车承载有限,如何在受限的体积内尽量多地储备电能成为科研攻关的关键目标。

吴锋现任中国电池工业协会副理事长,中国化学与物理电源行业协会副理事长,动力电池应用分会专家委员会主任委员,国家工信部新能源汽车准入专家委员会委员;连续12次担任中美电动汽车与电池技术研讨会主席,6次担任动力锂电技术及产业发展国际论坛主席。

到2020年国家对于动力锂离子电池能量密度的指标是300Wh/kg,现在一些电池企业已经初步达到了这个指标,还在进一步提高综合性能。这是2017-2018年,我们国家动力电池配套的排名,大家可以看到80%都集中在宁德时代新能源和比亚迪等少数几家企业,随着国家补贴的退坡,动力电池企业下一步也面临新一轮洗牌,可能会有比较大的动静。

1月7日,中国科学院院士欧阳明高在学术会议上表示,我国400瓦时/公斤的单体电池有望在2025年实现产业化,这一时间表引起行业热议,目前特斯拉最新动力电池20700高性能钴酸锂电池能量为333瓦时/公斤,这意味着我国在动力电池领域有望从“跟跑”变“领跑”。

吴锋院士表示,电解质是影响锂离子安全的主要因素之一,在向固态化方向发展,他认为目前还达不到全固态,他所带领的研究团队研制出新型仿生蚁穴结构的新型离子凝胶电解质,在锂金属表面形成保护层,可有效抑制锂枝晶生长。他表示,电池材料在仿生方面的研究有利于电池本身的绿色化。

北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋表示,随着国家补贴的退坡,动力电池企业下一步也面临新一轮洗牌。在技术进展方面,北京大学把新一代高比能锂离子电池正极材料的研发重点放在了富锂锰基材料方面,目前北京大学等单位在高比容富锂锰基材料研究方面取得了突破。

除了提高锂离子电池的能量密度使其达到400瓦时/公斤外,项目组还将着力全新的锂硫电池和锂空气电池的研究,它们的能量密度有望达到500瓦时/公斤。中国工程院院士陈立泉表示,锂空气电池是动力电池的发展方向之一,“现在大力发展的氢氧燃料电池,必须用金属罐子保障氢气使用时的安全,而锂空气电池(负极为空气中的氧气)只要一个榨菜袋子就可以了。从实用性、成本上来讲锂空气电池也应该发展”。

值得一提的是,吴锋院士发明了含锂储氢合金及其制备方法,打破了国外对储氢合金的专利垄断,主持创建了我国第一个镍氢电池中试基地,实现了产业化关键技术集成,设计建成我国第一条镍氢电池自动化示范生产线;研发出系列镍氢动力电池组,并将其成功应用于多款混合动力汽车。

各位来宾下午好!

夏定国强调,“高能量密度锂离子动力电池的发展有待于电极材料、电解液及高安全性途径的发展,更有待于新的分析方法及电池制备技术进步”。

面对国内动力电池业的发展现状,吴锋院士认为,中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。然而要知道,一个真正从基础研究做起来的颠覆性创新,并不是一蹴即成的,不能急于求成,有时候这个事情要做五年十年或者十五年,甚至更长时间。

电解质是影响锂离子安全的主要因素之一,在向固态化方向发展,我觉得目前还达不到全固态,我们研制出新型仿生蚁穴结构的新型离子凝胶电解质,在锂金属表面形成保护层,可有效抑制锂枝晶生长。电池材料在仿生方面的研究有利于电池本身的绿色化。

高能动力电池是怎样炼成的

吴锋院士围绕国家重大需求,探索不同二次电池体系间的技术融合,在电池反应理论、关键材料和工程化技术方面取得了创新突破,为我国二次电池的产业化发展做出了重要贡献。吴锋院士所领导的973、863基础和应用研究团队成员,有些已成为我国二次电池与新能源材料领域的领军人物。

以下是发言实录:

该项目负责人、北京大学教授夏定国表示:“要进一步提高锂离子电池的能量密度, 正极材料的比容量是关键。”据夏定国介绍,针对正极材料的比容量,研究团队在前期工作基础上,深刻理解富锂材料稳定性机制以及阴离子氧化还原的产生机理,通过调控阴离子氧化还原机制来实现富锂材料性能的优化。

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在2002年,我们在第一期973项目中提出了多电子反应,6年后在第二期973项目中提出了轻元素多电子反应,在第三期973项目中又提出了轻元素、多电子、多离子反应,能量密度从300Wh/kg,到400Wh/kg,到500Wh/kg,上了三个台阶,把电池反应从单电子反应转变为多电子反应,这种新体系对提升二次高比能电池比能量是非常有意义的,也引起了国际同行的重视。

本报记者 张佳星

动力电池隔膜需要高稳定性,在保证强度的基础上,有待进一步轻质和薄型化。

从探索改进电极及电池结构的设计方法、建立电池极化模型和仿真技术等方面入手,汽车动力电池的“瘦身健体”之旅仍在不断推进。

在技术进展方面,我们把新一代高比能锂离子电池正极材料的研发重点放在了富锂锰基材料方面。北京大学等单位在高比容富锂锰基材料研究方面取得了突破。我们团队在仿生膜设计,通过界面保护提高材料稳定性,构筑选择性锂离子通道,提高材料倍率性能方面也进行了一系列的研究。

目前该电池还需进一步完善,夏定国介绍,仍存在“枝晶锂”制约新体系电池的进步及电池安全性这两个关键问题。相关实验显示,10—50次循环使用之后,电压衰减明显,电极也不起作用了。

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在保障安全性前提下,继续开发高能量密度、功率密度、低成本、高可靠性的动力电池体系,建立完整的动力电池梯次利用和电池回收再利用体系,加快推进新能源汽车发展。另一方面,技术发展的不确定性,意味着可能随时被颠覆;中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。然而要知道,一个真正从基础研究做起来的颠覆性创新,并不是一蹴即成的,不能急于求成,有时候这个事情要做五年十年或者十五年。美国能源部最近对动力电池提出了更高的性价比指标,所以我觉得从整个材料体系和电池体系来讲,我们都要有些创新性的思路。

总体而言,在保障安全性前提下,继续开发高能量密度、功率密度、低成本、高可靠性的动力电池体系,建立完整的动力电池梯次利用和电池回收再利用体系,加快推进新能源汽车发展。

从2018年动力电池所用材料体系的统计结果来讲,磷酸铁锂、三元、锰酸锂等材料中,占比最多的是三元材料。但在国家补贴退坡后,随着磷酸铁锂材料的性能进一步提高和它在安全性方面的一些优势,它是否会在动力电池市场有新一轮崛起,还有待观察。

谢谢大家。

中国从“七五”开始,国家科技部就开始立题,启动了新型二次电池关键材料的研究,“八五”开始又针对电动汽车启动了相关材料和电池及零部件的研究,经历“九五”、“十五”一直到现在“十三五”。我也从头见证和亲身经历了上述过程。

另一方面,技术发展的不确定性,意味着可能随时被颠覆;中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。当然,一个真正从基础研究做起来的颠覆性创新,并不是一蹴即成的,不能急于求成,有时候要做五年十年或者十五年。

我们973团队还进行了光充电二次电池的研究,在化学电源中加入了物理电源的色彩,如果能通过光充电二次电池,解决电池超长时间的储存也是很有意义的。如果把叶绿素作为添加剂引进,就又把生物效应放进去了。希望能够引发一些创新性的思维。

网易汽车7月5日报道变革大潮翻涌而至,新旧势力合纵连横,如何拨开产业前行的迷雾?全球新能源汽车的前行着、变革者、引领者共聚博鳌,在新时代的变革前夜,以2019世界新能源汽车大会为契机,共探转型升级、技术更迭、市场调整下的汽车产业前行之路。

对新型负极材料而言,硅碳复合还是研发重点,纯硅还要再远一点。负极材料在纳米化方面还有很多研究的空间。

锂硫电池虽然有很高的理论质量能量密度,但它的体积能量密度目前还难以满足新能源汽车的要求。北京交通非常堵,如果在堵车的时候车子可以腾空往前走几百米再下来,这个地方是可以考虑用锂硫电池的,因为它轻,目前主要可用于无人机。

动力电池梯次利用,大型储能系统所需的管理电池是动力电池数量的几百倍甚至更多,针对于退役动力电池的一致性和先进的电池管理控制软件系统提出了更高的要求和挑战。在电池管理控制系统技术不成熟的前提下,退役动力电池用作移动应急电源等小型储存系统更为合适。按照现在的技术,马上把电动汽车电池退役之后用在太阳能和风电的储能,从小到大,我认为如何保证电池的均匀性和电池系统的安全可靠性,还有待商榷,需要认真研讨。

对于动力电池回收方面,在电池管理控制系统技术不成熟的前提下,退役动力电池用作移动应急电源等小型储存系统更为合适。按照现在的技术,马上把电动汽车电池退役之后用在太阳能和风电的储能,从小到大,吴锋认为,如何保证电池的均匀性和电池系统的安全可靠性,还有待商榷,需要认真研讨。

在动力电池技术发展方面,今后主要还是集中在提高安全性、提升比能量,提高寿命、控制成本方面,当然寿命和成本本身也是密切相关的。

在新型负极材料方面,我们也进行了无集流体,无黏结剂电极方面的尝试,可以提供更多电化学位点,从而提高电极比容量。在锂硫电池正极材料方面,我们利用双“费歇尔酯化”的模块组装方法,将分散的导电碳组装为椭球型的微米超结构,显著提高了正极单位面积的硫载量,电池能量密度达到545Wh/kg。在动力电池安全性方面,我们从材料入手,包括研制出温度敏感电极、陶瓷高强隔膜、安全电解质等显著提高了电池的夲征安全性。还研制出基于纳米TiO2与离子液体的新一代凝胶固态电解质,具有高室温电导率与显著的安全性(1300℃/60s不燃)。在系统安全性方面,基于我们提出的电池安全阈值边界的识别与控制概念,建立了相关的安全状态的数学模型,通过建立这个数学模型,可以将量化的安全度实时显示在电动汽车仪表盘,给司机提供可视化的安全预警。

动力电池正迈向固态化时代,现在硫化合物和聚合物的结合还是比较看好的,但是我总觉得还是一步一步来,从准固态向固态发展。

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