吳鋒：原材料漲價(jià)背景下 新型綠色二次電池的研發(fā)新進(jìn)展
圖為北京理工大學(xué)教授吳鋒作主題演講
11月16日，“2017’第二屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)暨第三屆中國(guó)電池行業(yè)智能制造研討會(huì)”在北京啟幕。本屆峰會(huì)由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)和電池中國(guó)網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)承辦，無(wú)錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會(huì)人數(shù)超600人。
北京理工大學(xué)教授吳鋒在演講中，就動(dòng)力電池關(guān)鍵材料研究的一些新進(jìn)展同與會(huì)嘉賓進(jìn)行了深入詳盡的探討。
以下為吳鋒教授演講內(nèi)容：
各位好！我跟大家匯報(bào)的是“動(dòng)力電池關(guān)鍵材料研究進(jìn)展”。
現(xiàn)在中國(guó)新能源汽車2011年到2016年從產(chǎn)量和保有量都提升了100倍，發(fā)展也是向低碳化、動(dòng)力電動(dòng)化、輕量化、制造信息化、整車智能化和交通網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)已經(jīng)全方位進(jìn)入新能源汽車，會(huì)對(duì)我們今后的發(fā)展起到一些意想不到的作用。這里還有一個(gè)問(wèn)題，我們講能源低碳化，我們國(guó)家現(xiàn)在棄風(fēng)棄水棄光嚴(yán)重，2016年達(dá)到130億度，用浪費(fèi)的130億度可以供8千萬(wàn)輛電動(dòng)轎車使用，最近又150億度，就是1億量了。
現(xiàn)在在國(guó)家規(guī)劃里對(duì)動(dòng)力電池的能量密度提的指標(biāo)都很高，有300Wh/kg的、有350Wh/kg的，剛才楊裕生院士也講了，對(duì)能量密度我們還可以再斟酌。我也參加了一些企業(yè)牽頭的項(xiàng)目，是這么一個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是300Wh/kg，續(xù)航壽命還有成本。我們?nèi)绾蝸?lái)實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)？而且如何兼顧安全可靠性、循環(huán)性能、倍率性能、溫度適應(yīng)性能，主要是能量密度，還要兼顧其他性能。
我今天主要是講能量密度，要求現(xiàn)在長(zhǎng)續(xù)駛里程的電動(dòng)汽車需要高比能，追求高比能同時(shí)又容易引發(fā)安全性事故，所以要提高安全性。就鋰離子電池而言，提高電池能量密度材料要先行一步，所以我們?cè)谘芯啃滦彤愘|(zhì)結(jié)構(gòu)的高比能量、高倍率富鋰錳基無(wú)鈷氧化物正極材料，通過(guò)這種材料在納米尖晶石包覆后獲得的性能改善，這種材料不含鈷，降低成本有很大空間。通過(guò)離子交換法構(gòu)建表面的尖晶石通道，另外也通過(guò)這種材料的改性，通過(guò)它的協(xié)同作用來(lái)改善它的低溫性能。
在負(fù)極用有機(jī)硅生產(chǎn)出來(lái)的工業(yè)肥料為原料，來(lái)生產(chǎn)高性能的有機(jī)硅，達(dá)到700多的容量。結(jié)合柔性化技術(shù)和長(zhǎng)壽命，通過(guò)導(dǎo)電的聚合物包覆和柔性組裝來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。我們通過(guò)用改性的811和高電壓的電解質(zhì)和具有新型導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的硅碳負(fù)極材料，我們制作出鋰離子電池，并通過(guò)第三方檢測(cè)。
新體系的性能指標(biāo)，二次電池，這個(gè)紅的是現(xiàn)有的需求量，綠的是預(yù)估的，到2045年的需求量，它必然是一個(gè)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。剛才兩位院士都講了，原材料的漲價(jià)，碳酸鋰去年一年漲了4倍，鈷酸鋰今年一個(gè)月漲了1倍，如何來(lái)應(yīng)對(duì)？因?yàn)?a href="http://www.wanyiping.com/ldc/index.html" target="_blank">鋰離子電池的原材料漲價(jià)，我們又要它便宜，怎么辦？我們973項(xiàng)目從2002年開始就開發(fā)新的，提出用輕元素、多電子、多離子反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電池能量密度跨越式的提升，打破單電子反應(yīng)n=1的思維定式。這里邊一個(gè)多電子反應(yīng)。一個(gè)鋰硫電池，它的能量密度是2600，高過(guò)TNT炸藥1700，但是全國(guó)的石油化工每年的硫黃副產(chǎn)物有1千萬(wàn)噸，如果能夠把它作為原材料，有很大的降低成本的空間，都很難做，也在做。
鋰硫電池有一些難點(diǎn)，比如導(dǎo)電性差、活性物質(zhì)的流失，高比容的電解材料和電解質(zhì)的適配難度大。我們通過(guò)三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、納米孔和包覆等等表面修飾進(jìn)行改進(jìn)。研究了相關(guān)鋰硫電池的關(guān)鍵材料，比如說(shuō)通過(guò)將氮和硫摻雜的珊湖狀的介孔炭用于改性，也是提高了倍率性能。引入特殊保護(hù)作用自組織的結(jié)構(gòu)，也能夠提高它的穩(wěn)定性。基于氧化鋅納米片的導(dǎo)電插層，也可以提高它的循環(huán)性能。這就是我們2016年以來(lái)做的一些工作，還有基于聚多巴胺的高粘性，將導(dǎo)電碳和納米硫在納米尺度進(jìn)行粘合，從電解液也可以看出這種結(jié)構(gòu)來(lái)。
將分散的導(dǎo)電碳組裝為橢球形的微米的超結(jié)構(gòu)，這種材料能夠提高它的單位面積的載硫量，通過(guò)載硫量的提高，我們也做到了能量密度達(dá)到460瓦時(shí)/公斤的鋰硫電池，當(dāng)然是0.1C的放電，不是小電流，通常大家采用的放電制度。
多電子反應(yīng)就是鋁二次電池，資源很豐富，難題是鋁的表面鈍化和鋁離子嵌入反應(yīng)困難，我們通過(guò)界面重構(gòu)設(shè)計(jì)具有大隧道正極材料，實(shí)現(xiàn)電子嵌入反應(yīng)，構(gòu)筑這個(gè)體系。這里關(guān)鍵的是我們采用了一種無(wú)黏合劑的正極，使得能夠避免電解液的腐蝕，在國(guó)際上也報(bào)道了它的機(jī)理。
剛才講的高比能下面有一個(gè)安全性，我們覺(jué)得首先是安全性材料，包括溫度敏感電極、陶瓷高強(qiáng)隔膜、電解質(zhì)，這三者的協(xié)同配合可以顯著提高電池的安全性?，F(xiàn)在我們也來(lái)發(fā)明了一些高電壓的不燃電解液，可以1300度不燃。
還有系統(tǒng)，我在973第三期提了一個(gè)系統(tǒng)的安全閾值邊界的概念，哈爾濱理工大學(xué)的李教授，他按照我這個(gè)概念通過(guò)建立安全狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，將安全閾值邊界演化出來(lái)一個(gè)量化的安全度，并顯示在汽車儀表盤上，對(duì)于車推廣會(huì)有好處。
剛才鄭綿平院士講了回收，這個(gè)回收意義他也講的很清楚了，回收牽扯到環(huán)境也牽扯到電池的成本，因?yàn)殁挘F(xiàn)在我們國(guó)家進(jìn)口鈷已經(jīng)有69%電池用鈷，占了很大的比例。我們?cè)瓉?lái)用天然有機(jī)酸來(lái)浸取正極，鋰和鈷都比較高。最近天然的琥珀酸，浸取率由原來(lái)的94%提高到99%，我們浸取出來(lái)的電池材料也達(dá)到了要求，這是一種內(nèi)循環(huán)，從廢棄的正極極片到制備出合格的正極用于原材料。負(fù)極我們也做了一些工作，負(fù)極是一個(gè)外循環(huán)，因?yàn)檫@個(gè)碳，大家如果再用到電池上可能覺(jué)得不劃算，但是我們國(guó)家比如像電池，原來(lái)因?yàn)閺娜毡疽M(jìn)的三聚磷酸納被磷污染，用這個(gè)把這個(gè)碳制備成碳吸附劑，用在這個(gè)上面，國(guó)家每年需要560萬(wàn)噸左右，用于高磷的污水處理。再把它作為磷肥一個(gè)緩釋肥放到田間，把這個(gè)做一個(gè)外循環(huán)，這個(gè)也是挺有意思的事。
我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)由我們理工大學(xué)物理所、武漢大學(xué)、清華大學(xué)多家單位組成，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在一起從2002年到現(xiàn)在已經(jīng)15年之多了，大家一直團(tuán)結(jié)的非常好。
我最后講兩句，我們新型綠色二次電池的發(fā)展，起源于二次電池固體電解質(zhì)材料和鎳氫電池儲(chǔ)氫材料的研究，依賴于關(guān)鍵材料技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。創(chuàng)新不是炒作，不能急功近利，否則就會(huì)曇花一現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)取決于市場(chǎng)，不能揠苗助長(zhǎng)，否則就會(huì)是過(guò)眼云煙。
?。ǜ鶕?jù)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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