李泓:动力电池新材料研发进展

 

  2016年9月23-24日,“2016中国新能源汽车动力电池产业技术发展高峰论坛暨车企与动力电池企业技术交流会”在张家港盛大召开。本届会议由电动汽车资源网携同江苏天鹏电源有限公司联合张家港市发展和改革委员会、张家港市科技局共同举办,来自政府主管部门、行业权威专家学者、新能源整车企业、动力电池产业链企业、检测机构等,共计600余业界精英齐聚一堂。中国科学院物理研究所清洁能源实验室纳米离子与纳米能源材料研究组研究员、博士李泓做重要演讲,李泓博士的演讲主题为“动力电池新材料研发进展”。

 

  以下是电动汽车资源网整理的李泓博士演讲内容:

 

  非常高兴有机会加入到这个产业化的高峰论坛,今天我主要跟大家讨论“动力电池的新材料的发展”。刚刚非常高兴听到新能源汽车行业各位专家关于汽车方面的精彩演讲,以及王英博士介绍的对整个系统的探讨。今天我所探讨的是动力电池新材料研发进展。我们非常希望在材料方面也做到正向,对我们来说是比较难的。从企业来说首先是安全性,可靠性,还有成本技术指标提出了系列的要求,这里面底线的指标和长期发展的指标都是非常高的。政府和国家对动力电池提出了非常高的能量密度的要求。像新能源汽车今年发布的项目,对于基础研究的项目,希望锂离子电池能量密度做到400Wh/kg,新体系电池样品能量密度做到500Wh/kg。对企业来说300Wh/kg也是不容易的,要开发很多新的体系。《中国制造2025》要求做到400wh/kg以上,提出的一些方案里面关键词主要是电池这两个差距还是比较大的。

 

  从产品指标的角度考虑这个问题,我们再对比一下各个国家政府的相关要求。刚刚提到了《中国制造2025》,底下是日本的往上累的是中国和美国的竞赛,今年启动了3个专项都涉及到动力电池。

 

  大家都希望将来是400wh/kg,为什么做这个指标?多出自锂离子电池安全性考虑。以北汽新能源EV200举例,其百公里能耗为14kwh,寿命要求是10年20万公里,而成本上现在已经降低了许多。动力电池今后的发展,达到同样续航里程的成本比目前高不少,所以说电动汽车的动力电池不发展到高能量,将来在纯电动汽车上会面临更激烈的竞争,甚至被燃料电池碾压的情况。

 

  从实际的发展角度看,整个的发展是很慢的而且是比较稳健的,主要是技术和材料的升级换代,即便是按照路线去看的话,如果我们还能跟上现在发展的速度你到2020年就是做到300,2030年就是390瓦时每公斤,这个路线图怎么一点一点实现,第二个到底能不能实现400瓦时每公斤甚至更高的?

 

  1990-2025锂电池能量密度发展路线图

 

  液态电解质锂电池电池已经发展了三代,去年有一个详细的介绍,主要的就是在正极材料方面每一个都在升级换代,提高了电压或者是容量;负极方面主要的变化,能量学的电池里面,把纳米硅碳引入在电解液里面加入一些技术,包括陶瓷涂布的隔膜等等。现在看的锂电池电池到底能做多高呢?低能量的密度确实非常好,就是牺牲了循环性更不用提安全性,实现了高能量,但是不是说循环性不能提高,还需要一些细致基础的研究,这是法国的调查公司他看到的对材料的一个看法越来越多,现在很多团队和同仁都比较熟悉我就不细说了。

 

  但是对于电池材料来说,有很多的问题和性能的要求,同时采取了至少有13种以上的技术来综合地解决这方面的技术,每一根线都有很多细节的技术和内容,你更换一个材料的时候,整个电池会很复杂地变化,研发这个电池材料特别慢,一般的需要十几年以上,现在的很多团队和公司已经在开发300瓦时每公斤的锂电池了。现在在这个方面最难的一个问题就是高的负极容量带来高的体积膨胀,那你在电芯层面上非常难涉及,核心的问题就是怎么解决在充电之后的体积膨胀能够满足现在的电芯企业的要求,另外就是说这些高能量密度的实现是可以的,但是他的综合接入指标能不能满足应用要求?是什么样的上限这个不太清楚,这个里面有一些解决的方案,时间关系就不详细讨论了,欢迎大家有机会我们交流这方面的技术。

 

  另外政府上要做400wh/kg和500wh/kg,这个经过计算有一个模型,把现在石墨的负极,硅负极金属锂也放这里,如果做到800瓦以上还有机会,400wh/kg,500wh/kg还有一些解决方案,但是实现是非常难的,NC最高做到200,负锂做到300,不同的负极材料这个是系统的计算,从计算上看似乎还是说有一些正负极材料的匹配实现高的密度,前面都是虚的计算,科学院在这方面的工作。科学院为了加强研发成果能够促进经济的发展,解决实用问题,启动了战略先导A类项目,其中有一个纳米项目,就是把过去20多年了科学院研究的纳米技术争取集中支持一下,希望对产业有一个帮助,在这些项目里面其中第一个就是动力电池,纳米材料和纳米技术很可能会用上。

 

  对这类项目的要求,原来负责这个项目的阴和俊副部长提出,我们做的事情目标清楚、要能用上、可考核,经过第三方考核的,材料用的上,技术用的上,最后用上水平怎么样,有没有影响,影响能力多大有很多的指标考核,所以这样的项目就非常难了。他提出了具体的指标,国家已经提出来了2020年要做到300瓦时每公斤,到2015年要实现150瓦时每公斤,相关的电池材料正极电解质隔膜等等也需要开始产业化。为了完成这个项目设了几个主要的内容,一个是60%的经费到70%的经费用到了锂电池方面,开发高能量的正极、负极,高电压的电解液,高安全的隔膜,集成在动力电池上面,从长远考虑我们需要布局固态电池,空气电池在这方面也安排了。另外就是今天早上的陈老师提到了检测水平,国内的检测水平还是有的,但是建了两个平台,我简单汇报一下结果。有12家单位,大概有300人的研发队伍,涉及各个方面。一个是硅负极,之后一直在做这方面的科学技术的研发已经19年,相当难的事情。最近是在从应用的角度一直在开发这个事情,主要的技术路线包括两类,一个是SiOx/C,一个是Nano-Si,主要是从综合的技术指标不断的迭代,2013年得到支持以后,可以做到批次500公斤的水平,大概是综合的设计考虑,我在这里展示的是我们思想不是真实的事情。导入添加剂等等还是非常难的,纳米归谈里面的难点是怎么样得到100块钱每公斤的纳米硅,第二个如何把纳米硅在颗粒当中均匀的分散?

 

  现在做到的是这样的材料,大概是把纳米硅分散在颗粒当中,能够进入到批量的生产,在450毫安每时材料当中,一般循环500次左右是高容量的负载,但是前面开发的氧化亚硅都在开发,但是效率低,纳米硅碳的容量高都不是满意的解决方案,所以我们正在开发新一代的富硅氧化物材料,减少带来的挑战。

 

  这个新材料公司目前在国内还在第三或者是第二位的,这里面就解决了一系列的技术问题,我就不详细说了,负极材料有进展,正极材料我们积累的比较少。在这个项目支持之后,主要针对高容量的等级,这个材料难的地方就是电压衰减,这个工作当中主要是通过表面结构重新的重构,解决了电压衰减的问题,因此就可以开始试用,今年是在500公斤的量级。

 

  另外一个材料就是高电压的尖晶石,比较容易切换过来,最难的是用了这个材料以后电解液等等需要全面的升级,所以这个方面还是需要提升,特别是高温55度的问题。为了解决高电压富锂材料,这个在国内上是非常重要的也是也很有挑战,现在可以在高电压当中相对来说稳定的循环,在电解液方面还有添加剂。隔膜我们感觉直接用还是有点问题,所以说开发陶瓷隔膜,同时用纤维素的基材,耐高温,但是这个好象还不能最终用在我们的电池上,主要就是一致稳定性,现在是小试到中试的阶段,但是展示的前景是有一些希望,纤维素隔膜加上陶瓷颗粒,其实我们还开发了离子导电涂层隔膜。

 

  石墨烯都开发了很长时间了,以及涂层的技术,都能做到几十吨量产的水平,用刚刚的材料做了初步的电池,这个电池可以做到375瓦时每公斤,但是循环性不行,容量低循环好,主要是在高体积膨胀下怎么解决一系列辅助材料的问题。

 

  最后我介绍一下固态金属锂,理论计算上考虑,锂电池的提升,还有一个可能还用锂电池的电池,金属锂电池,还有空气电池,包括了氧、水、二氧化碳等不同的电池的体系,在刚刚的计算结果当中可以看到绿色的金属锂比较高,硅负极比较厉害,如果2000毫安的硅,膨胀在200以上这个相对来说,锂的膨胀更容易解决一些,如果冲击更高能量的电,还能用后电池的想法,但是这个力学等等还有一些挑战。

 

  金属锂电池已经研发了50多年,特别是80-90年代有很严重的问题,目前没有证据表明金属锂电池是安全的。用金属锂电池改变的问题,主要是非均匀的沉积和析出跟石墨和硅不一样,第二个是SEI膜不稳定,所以很多人还是希望用固态解决这个问题。固态的一个关键点就是说可能在理论上解决,所以有很多的安全性和好处,以及循环系数的好处,另外还可以做内串,比如说聚合物类的,以及添加一些液体的电解液,在国际上有很多的公司投入很多,但是从实际的角度考虑,能量密度高的电池目前没有做出来,这里面关键的问题是正极这一块的电阻怎么解决的问题。

 

  我介绍一下科学院做的工作,一个是中国科学院宁波材料团队做的,还有就是上海硅酸盐研究所郭向欣团队做的实验,另外我们最近提出来做原位固态化的思想,用基本上兼容现在叠片式的,目前初步得到了一个高的体积能量密度,电极化也是非常小的,这个是后期要发展的。从电池发展的角度来看,现在的锂电池软包从15-20液体的含量,全固态金属锂电池负极都是金属锂,整个电池当中没有任何的液体,可能是过程当中感觉为了提高能量密度,同时兼顾安全性,从凝胶半固态到固态可能是一个发展的路子,目前像东芝还有国外的公司也在探索当中,只是要解决这个不同的液体到底是什么东西,这里面还有很多的细节要研究的地方。

 

  从产业发展角度,固态电池区别的就是固态电解质,可能会用到金属锂电池,锂电池也是很强大,这个实际上就是在产业的发展当中,一旦电芯技术关键材料可以突破,就可以迅速进入到市场当中去,所以我们提出了一些路线图,也许最快在2019年拿出电池包来,2020年有可能试水到商业化的程度,有一些全固态的还比较慢,真正的全固态可能要更长的时间,稍微含有一点液体的电池会比较快,因为兼顾了能量密度和安全性。

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