qq飞车手游2019年5月新车:艾新平:下一代動力電池關鍵材料與技術

qq飞车手游s车闪电风暴美化包 www.nfrun.icu 9月26-27日,中國電動汽車百人會在上海安亭舉辦了產業培訓(華東班)第一期課程,本期主題是“電動汽車核心技術突破與創新”,中科院物理所研究員黃學杰、武漢大學教授艾新平、華霆動力總經理周鵬、上海電驅動副總經理張舟云、精進電動創始人余平、上汽捷新動力電池系統有限公司副總工程師朱玉龍、新能源汽車動力系統專家王英、華域汽車電動宋玉環等學者專家以及企業代表對動力電池核心技術及發展趨勢、先進驅動技術發展及實踐成果做了詳細深入地講解。本文為武漢大學教授艾新平的課程內容。

艾新平

在分析動力電池的技術發展路線之前,首先討論一下電池比能量對電動汽車發展的影響。

電池比能量是決定車續航里程的重要因素,因此決定了駕駛的便利性,對于電動汽車的市場接受度具有重要影響。當然像特斯拉那樣,通過增加電池裝載量也可以實現續航里程的大幅度提高,但這種做法我本人并不贊同。這里有一個簡單的計算:對于能量密度只有120瓦時/公斤的電池系統來說,如果我們將車的續航里程設計為150公里的話,電池總重只有100多公斤,電池成本按照目前價格也就2萬多元;但是如果我們非要將車續航里程設計為300公里,整個電池系統的重量就變成了340公斤。對于一個最經濟性的轎車來說,800公里的自重對300多公斤的電池,我想這個電池重量還是過重了。再來看看能耗,由于大多數時候人們并不需要用到這么多電池,這就是為什么特斯拉在新加坡不被人們接受并遭到??畹腦?,因為這種車并不環保,增加能耗也是增加了排放。此外,過多電池還會造成整車成本的翻倍。假設按照我們現在的規劃,2020年電池系統能夠達到200瓦時/公斤,單體達到300瓦時/公斤以上,那么將車續航里程設計為300公里就是很正常的一個配置。但是如果說基于200瓦時/公斤電池包非要將車設計到500公里,那么能耗也會增加17%左右,整車電池成本也會成番的增加。

因此,不考慮電池的能量密度,盲目的通過增加電池重量來增大續航里程,會導致能耗的增加,載人空間和可載重量的減少,整車成本的大幅度增加,實際上是不利于電動汽車發展的。動力電池的總體發展方向,還是應該在滿足安全性、壽命等指標的情況下,大幅提高能量密度;其實能量密度的提高也會帶來成本的大幅度降低,因為對于制造同一個大小的電池來說,電池瓦時數高了,每瓦時的制造成本就會降低。

我這里給出了一個對應關系,如果單體的能量密度達到300瓦時/公斤,續航里程設計到300Km比較合理,400就對應400續航里程;如果哪一天電池單體做到500瓦時/公斤,我們設計續航里程500Km的車也就比較合理了。

如何實現電池比能量的提高呢?近期的目標是高鎳三元正極、硅碳負極實現300瓦時/公斤;中期(2025年)目標是基于富鋰錳基/高容量Si—C負極,實現單體400瓦時/公斤;遠期是開發鋰硫、鋰空電池,實現單體比能量500瓦時/公斤。

這個路線可不可行?從目前的技術條件來看,除安全性還不太確定外,在2020年電池比能量達到300瓦時/公斤是沒有任何技術風險的。

根據計算結果,400瓦時/公斤電池要求正極容量達到250毫安時/克,負極容量達到800毫安時/克,這個要求也都有明確的材料體系相對應,比如富鋰錳基可以達到250、280甚至300毫安時/克的容量,硅碳達到800也沒問題。所以,大家普遍認為的近中期技術路線總體上是可行的。遠期目標中,理論上鋰硫、鋰空達到比能量指標沒有任何問題,比如鋰硫的理論比能量為2600瓦時/公斤,鋰空氣在不考慮空氣質量的情況下,理論比能量可以達到11000瓦時/公斤,與汽油接近。如果我們只實現理論能量密度的20%,也可以達到500-600Wh/kg,這就是為什么大家都將鋰硫、鋰空作為未來開發重點的原因。

這兩個體系到底可不可行呢?現在就車用動力電池領域來分析一下:如鋰空,是采用金屬鋰作為負極、空氣中的氧作為正極的一種電池體系,當然氧電極需要多孔碳作為反應載體。通過這么多年的發展,應該說在催化劑的選擇、機理研究、電解液選擇、可充性等方面已經取得了很大的進展,但是無論怎么進展,我覺得作為一個應用產品,我們必須要面對以下幾個問題:第一,它是一個開放體系,這是和鋰離子電池不一樣的,鋰空要用空氣中的氧,而空氣中含有水,鋰會與水反應,既要透氧又要防水,這是一個很難解決的問題。鋅空電池為什么沒有得到成功發展就是因為這個問題。90年代我們做了很多工作,包括開了一個小公司要將鋅空電池產業化,但最后夭折了。遇到最大的問題就是水的控制。鋅空電池采用堿液為電解液,如果像上海這幾天空氣這么高的濕度,堿液就吸水,電池會“湮死”;如果在新疆這種比較干旱的環境,堿液就失水,電池就“干死”。這個問題一直沒有很好的解決辦法,現在鋰空也遇到同樣的問題。第二個問題是氧的催化還原。氧的反應速度是非常慢,要提高氧的反應活性必須采用高效的催化劑,現在的催化劑都是貴金屬,因此,必須發展高效廉價的催化劑,而這一直是制約燃料電池發展的一個短板。第三個問題是金屬鋰負極的可充性。其實鋰二次電池早于鋰一次電池而出現,20年代60年代最先出現的不是鋰一次電池,而是鋰二次電池。大家知道世界上曾經有一個著名的電池公司—加拿大Moli公司,為什么這個公司現在基本上不復存在?主要的原因就是它們在上世紀80年代率先推出了鋰二次電池,由于鋰枝晶生長導致電池爆炸,在市場上將用戶炸傷了,電池全部召回,從此一蹶不振,所以鋰的可充性一直是一個問題。到現在為止,國際上一直沒有很大的進展,短時間想解決這個的問題,也是非常難的事情。另外一個問題是,它的放電產物是鋰氧化物,將固態的鋰氧化物再催化分解成氧和鋰,多難啊。我總結一下,鋰空電池聚集了多個電池體系所遇到的最難的問題,包括鋅空電池、燃料電池、鋰二次電池,此外還有一些自身特有的問題。因此,我認為鋰空電池的實用化希望非常渺茫。

下一代動力電池關鍵材料與技術

再看看鋰硫,它的負極采用金屬鋰、正極采用硫,硫的容量非常高,達到1600毫安時/克,這是大家為什么研究它的原因。但是硫電極放電的時候不是直接生成硫化鋰,而是逐步被還原,伴隨多硫化鋰中間產物的生成;多硫化鋰會溶解在電解液中,發生溶解流失。溶解的多硫化鋰一方面會擴散到負極還原、再在正極氧化,產生穿梭效應,導致低庫倫效率和高自放電;另一方面,溶解的多硫化鋰在充電過程中還會在正極表面優先沉積,導致電極因表面孔堵塞而失活,因此,電極循環性能很差。現在我們學術上的方法,就是用多孔碳材料去阻擋、去吸附多硫離子,減少它的溶解流失。這種策略在學術上看似很有效,也有大量的文章報道,但在實際電池體系中作用非常有限。兩者的主要區別在于我們實驗室的研究工作都是基于很小的扣式電池,電極很薄、硫負載量不高,總的硫量大約在幾個毫克級;而實際電池的硫含量較大(克級),且電極很厚、單位硫載量很高。我前幾年曾經參與過鋰硫電池的863項目,發現在實驗室能夠循環上1000次的硫/碳復合材料,在實際電池中僅能循環幾次,有時候甚至一次電都放不出來,為什么?我做了比較系統的分析,主要原因我列在這個表中。我們在實驗室做的電極每平方厘米僅1-2個毫克,而實際電池要達到300瓦時/公斤的比能量,硫的單位面積載量必須達到5mg/cm2;如果達到400瓦時/公斤,硫電極的硫載量必須達到7-8mg/cm2,這時電極厚度非常大。對于一個多孔電極而言,其表面不管是在充電還是在放電過程中,表面的極化都是最大的。在充電過程中,溶解的多硫離子就會優先在表面被氧化為單質硫,電極越厚這種不均勻沉積就越嚴重,引起多孔電極表面孔的堵塞,導致電極很快失活。這是導致硫電極循環性能差的一個主要原因。

第二個問題是鋰負極的可充性,也是難以短時間解決的問題。鋰表面為什么會形成枝晶?我們知道電化學反應必須包含幾個串聯的過程,第一個過程是反應物從本體溶液向電極表面的傳輸,我們稱之為液相傳質;第二個過程為反應物在電極表面得到或失去電子,形成產物的過程,我們稱之為電化學反應步驟。哪個速度慢,電極反應就受哪個步驟控制。對于鋰電極來說,它的電子交換這一步是非??斕?,也就是我們專業術語所說的交換電流密度非常大,,因此液相傳輸是其反應控制步驟,也就是將鋰離子從溶液本體傳輸到電極表面這一步相對慢。這樣就帶來了一些問題,液相傳遞實際上是受對流影響的,只要有重力,就會存在對流,而電極表面每一點的對流速度并不相同,因此,每一點的反應速度也就不同。哪個地方長的快,鋰離子的傳輸距離就越短,鋰的沉積速度就越來越快,這就是鋰枝晶生長的原因。當然,正負極之間的距離不一樣,電流的分布也就不一樣,這也是導致鋰枝晶生長的重要原因之一。顯然,這些因素在實際電池中是很難避免的,因此,枝晶生長引起的鋰的可充性問題不能說沒有辦法,而是目前還很難找到有效的方案。

第三個問題是鋰硫電池的體積能量密度比較低??贍芙鲇肓姿崽緋叵嗟?,為什么呢?因為硫是絕緣體,你讓它導電、讓它反應、讓它分散,必須采用大量高比表面的碳,導致硫/碳復合材料的密度非常??;此外,硫的反應是先溶解再沉積,所以電極上必須存在大量的液相傳輸通道,現在大部分鋰硫電池硫電極極片是不能壓的,涂的什么樣的就什么樣,孔隙率特別高,所以其體積能量密度非常低。對于車來說,特別乘用車來說,當重量能量密度達到一定值后,體積能量密度就更為重要了,因為乘用車沒有那么多地方裝電池。所以從這個意義來講,至少它在車用動力領域,鋰硫電池是沒有什么希望的。

大家說是不是未來電池就不可能再發展了?我認為未來仍然是鋰離子電池,只不過是我們的正極要做大幅度革新的一種鋰離子電池。從我給出的這個計算表中我們可以看到,電池的能量密度要達到500瓦時/公斤,正極容量必須要達到350毫安時/克以上。有沒有這樣的材料呢?常規的過渡金屬氧化物正極,其理論比容量也就300毫安時/克。如果富鋰材料中,氧能部分參與電荷補償,它的容量就有可能得到提高,這個想法有沒有可行呢?這是我們8月份檢查的時候,北大的一個老師做出的成果,確實做到了,他通過這樣一個陰離子補償機制,就是氧參與部分的儲鋰,將富鋰正極的比容量提高到了400毫安時/克。如果這種材料真做穩定了,對我們整個動力電池技術將是一次革命性的變革。

對于這個材料而言,氧部分參與儲鋰肯定會帶來結構穩定性問題,我認為采用固體電解質來穩定它的循環性能,可能是比較好的策略,所以我認為從長遠來看,發展基于高容量富鋰正極和硅碳負極的固態電池比現在的鋰硫和鋰空更為靠譜。

根據上面的分析,我這里給出了不同于常規的動力電池技術發展路線。我覺得在近中期常規技術路線沒什么爭議,但是從遠期來看,革新型鋰離子電池應為重點。

根據這樣一個技術路線,未來動力電池的發展涉及到哪些關鍵材料呢?因為時間關系我不可能把所有的材料都講,我只能說講一些我認為比較重點的。

第一個關鍵材料是硅碳復合負極。超過250瓦時/公斤,電池就要用到硅碳負極了,硅碳負極是未來動力電池發展的關鍵材料。但是硅的問題在哪里呢?理論上,一個硅可以儲存4.4個鋰,但在鋰化過程中,它的體積膨脹非常大,達到360%。這么大的體積膨脹,會導致材料顆粒的粉化、電極脫粉。現在來看,通過將硅納米化和采用表面鍵合粘結劑可以比較好的解決這兩個問題。但體積膨脹還會引起另外一個頭疼的問題,那就是硅負極表面SEI膜的反復生長。我們知道電位比較低的負極材料,其表面都存在SEI膜,因為其強的還原性會導致電解液的還原分解。而SEI膜的作用就是避免負極與電解液的直接接觸,保證電池的正常工作。這么大的體積膨脹會導致SEI膜的破裂,因此每循環一周,負極表面SEI膜就要修復一次。而修復SEI膜需要消耗電流和鋰離子,導致電池中可循環鋰的不斷減少,直觀表現就是循環庫倫效率低、電池容量發生衰減。為什么循環效率低會影響我們電池的循環壽命呢?我們平時做負極研究的時候沒有這個問題,因為采用金屬鋰為對電極,鋰大量過量,因此硅負極可以表現出很好的循環性能,但是將同樣的材料用到實際電池中時,往往發現10次都循環不了,為什么?因為在全電池中,電池容量是由正極提供的鋰來決定的,可循環的鋰越多,電池容量越大。如果負極循環效率低,每周都不可逆地消耗一點鋰,可循環的鋰就減少了。大家可以算算,99%的100次方是多少?我算過好像30%。也就是說,每周負極消耗掉1%的鋰的話,100周后電池容量就僅剩下百分之二三十,所以這個問題是個很大的問題。

我這有一個表更詳細地闡述了這個問題。從表中我們可以看到,如果想讓電池有比較好的容量保持率,硅碳循環效率一定要保持99.9%以上,這個要求還是非常高的。

解決這個問題最有效的方法,就是建立穩定的固/液界面。也就是不讓硅表面與電解液發生直接接觸,學術界提出了這樣一個結構,我們稱之為蛋黃結構:外面是碳層,里面是納米硅顆粒。在這樣的結構中,硅反應所需的鋰離子、電子都是通過碳層傳輸的,電解液不與硅顆粒直接接觸,從而保證材料有高的循環庫倫效率。從理論上講這個是可行的,但是我們在實際做的時候,發現并不能達到理想的效果,為什么?硅納米粒子放在空空蕩蕩的碳殼里面,能接觸好嗎?我們知道電子是有隧道效應的,還好一點,鋰離子那么大體積不能有隧道效應,怎么跳過去?所以即使是接觸、即使是反應,這個接觸面也太小了。所以學術上這個思路,原理上好像很可行,實際上效果并不好。

BTR這個方法更實際一些,BTR去年出口了差不多有1千噸的硅碳,給日本、韓國出口。他們的辦法很簡單,把納米的硅跟石墨混合,混合以后讓它聚集,這樣納米Si就被微晶石墨簇聚在中間,再通過碳包覆形成電解液阻擋層。雖然這種結構并不能完全阻擋電解液的滲透,但是還是能起到一定效果。當然現在這種材料的硅含量還是比較低的,大約不到10%。如果再增加的話,我認為復合材料效率可能就會出現問題,因為畢竟不是很好的包覆體系。

我們在這方面也開展了一些工作,說出來供大家參考。其實對于硅來說,最主要的怎么樣隔絕它跟電解液的直接接觸。我們研究發現,將一些含氧聚合物,與納米混合后直接加熱分解,可以在Si表面原位形成硅的氧化物層和碳層。大家可以看看,這種材料循環過程中的庫倫效率可以達到99.6%;如果配上一定量的石墨,我想就有可能達到99.9%的應用要求。

還有一種方式,就是將納米硅包埋到一種具有鋰離子傳導性的導電聚合物中。硅顆粒膨脹的時候一定會原位產生一個空間,之后聚合物就不會再發生膨脹,從而保證材料結構的穩定性;而且聚合物的致密結構保證了電解液不向中心的滲透,避免了電解液與硅的直接接觸。這種材料的循環效率也是非常高的,可以達到99.8%。因為外層是導電聚合物,導電率非常高,因此材料的倍率性能也非常好,可以達到每克16安培的充放電電流。

我認為硅基負極的理想結構應該是這樣:內核為納米硅的聚集體,外殼是一層致密結構的導電包覆層。由于納米硅在聚集的時候不可能堆積得非常實,導致硅和硅之間存在間隙,因此預留出了體積膨脹空間,不會對外殼造成沖擊,整個結構穩定性也就得到了保證。

第二個關鍵材料是富鋰錳基正極。富鋰錳基具有250毫安時/克以上的可實現容量,是鋰離子電池突破400瓦時/公斤,甚至500瓦時/公斤的技術關鍵。設計電池的第一準則是容量匹配,也就是正負極的容量要匹配。現在鋰離子電池的正極克容量很低,在電池中的質量非常大,1克石墨要匹配2克以上正極;如果用硅碳負極,正極的匹配量更大。因此,正極容量的提高對電池比能量提升的作用更大。富鋰錳基有高容量的特征,問題是電壓衰減非常嚴重,隨著電壓越來越低,電池的能量密度也越來越低。另外,它的離子擴散系數和電子電導也非常低,倍率性能也比較差。

目前改善富鋰錳基正極的主要工作包括:組成優化設計,制備工藝優化,表面改性。

物理所團隊正在進行一個項目,通過一種氣固的界面改性來構筑表面的氧空位,使得富鋰錳基正極的電壓衰減問題得到了較好的解決,100周后衰減控制在2%以內。應該說,他們至少提出了一種值得借鑒的方法,表面改性確實是改善電壓衰減的一個可能途徑。

此外,北大夏定國老師所帶的團隊利用硫原子和鹵素原子調控富鋰材料中氧離子參與電荷補償的可能性,實現了400毫安時/克的比容量,但目前循環性還不是很好。如果這個材料能夠實現應用,那么500甚至600瓦時/公斤的鋰離子都是可以實現的。

另外一個材料問題是功能電解液。現在做電池的都在研究功能電解液,但是對于以后高鎳三元、富鋰錳基正極,功能電解液的作用更大。高鎳三元隨著鎳含量的增加其穩定性變差。鎳還有一個問題,就是它對電解液的氧化分解具有很強的催化作用。三元材料表面有鎳析出后,電解液的分解就會加快。現在的主要思路是,采用含CN-集團的添加劑來絡合表面偏析的鎳離子。此外,對于硅基負極而言,添加劑開發的主要方向是高韌性成膜劑。總的來說,添加添加劑后,電池在效率、循環性等方面均得到了大幅度改善。

剛才我介紹了下一代電池的材料問題,其實下一代電池開發還有許多技術問題,我主要講幾個:

1、電池安全性問題。2016年承擔300W/kg電池項目開發的三家單位,他們的電池安全性都還不能滿足考核要求,300瓦時/公斤電池2020年能不能真正裝車?實際上不是性能問題,而是安全性問題。如果安全性解決不好,電池照樣不可能應用。我們知道電池的安全性是由很多因素決定的,其中,正極的分解放熱是導致電池熱失控的一個重要誘因。正極對電池熱失控的貢獻非常大,為什么?正極的用量最大,正極的放熱量最大,所以正極改變以后對電池安全性影響非常大。這里可以看到,三元材料,不管是高鎳三元還是一般的三元,它們的熱穩定性都比磷酸鐵鋰差很多,不僅放熱量大,而且分解溫度低,這就會導致我們未來電池的安全問題會更加嚴重。當然解決安全性問題,要從三個方面,材料、單體、系統全方位的開展工作。今天我看有研究系統的、有研究絕熱材料的,系統我估計華霆的周總會講這方面的東西。我認為從安全性整個解決思路來講,材料是基礎,什么材料就決定了什么樣的安全性;單體是關鍵,好和壞由單體決定的;系統是保障,鋰離子單體發生了熱失控也不至于把其他的都引發。這里因為時間關系,我只在單體層面上介紹一些思路和工作。

第一種思路,發展電池自激發熱?;ぜ際?。我們電池是沒有溫度敏感特征的,溫度一高就可能引發熱失控。如果在電池中存在一種溫度敏感材料,在溫度高時能有效地切斷電子和離子的傳輸,那么在濫用條件下電池就會自動關閉其反應,避免溫度的進一步升高。最簡單的辦法,就是將PTC材料用于電池中,實現溫度敏感。其實很多領域都在用PTC材料,只不過沒用到電池上面。PTC材料主要特點是,在常溫下電導很好;當達到某一個轉化溫度時,電阻急劇上升,從一個導體變成一個絕緣體,這樣就切斷了電極上的電子傳輸。假設我們用這個材料作為鋁箔或者銅箔的涂層,溫度高的時候,這個涂層的電阻變得特別大,就會切斷極流體和涂層之間的電接觸,使得電極就不能反應了,至少反應電流很小?;褂幸桓齜絞?,就是直接用PTC材料作為導電劑,溫度高的時候,電極整個導電網絡就被切斷了,反應速度就會大大降低。常規的PTC材料是碳黑和高分子樹脂的復合物。溫度高的時候樹脂膨脹,碳黑和碳黑之間的距離就加大了,電阻就急劇增大,PTC就是這個原理。但是這種PTC材料是不能用到電池中的,因為它們的顆粒很大,很難分散,作為導電劑需要添加的量很大,對電池的能量密度影響大,這樣電池廠就不愿意了。

我們這些年研究發現,一些導電聚合物,具有PTC效應,而且可溶。利用這種材料可以制備非常薄的涂層。如我們發現P3OT這種聚合物,在30—80度的時候電導率是比較高的,但是90—110度的時候馬上有三個數量級的變化,這個涂層不到1個微米,600納米左右,這樣不會影響電池的能量密度。我們測到這個涂層的結合力,都是沒問題的。常溫的時候,電極的充放電正常,一旦到90度以上,這個電池就不工作了。這是我們跟ATL合作取得的一些數據,這種涂層對電池常溫性能沒有任何影響,但是對電池的過充性能包括其他性能都有大幅度的改善,應該效果是非常明顯的。另外我們也把這種PTC材料用作導電劑,制備了電池。大家可以看看,這個材料在120度的時候展出熱關閉的性質,顯著改善了電池在過充、熱箱、針刺等條件下的安全性。

第三種方法,是熱關閉隔膜。現有的三層隔膜都具有熱關閉功能。常規的隔膜,它的閉孔溫度是由PE熔點決定的,大約135度左右;熔化溫度是由PP熔點決定的,大約165度。由于閉孔溫度過高,熱關閉后,熱慣性極易使電池溫度繼續上升到165度,造成隔膜熔化和電池短路,因此常規隔膜的熱?;ぷ饔糜邢?。如果我們在隔膜表面涂敷一層塑料微孔,那么達到微球熔點的溫度時,表面微球層就熔化了。球熔化以后就把這個隔膜的孔給堵了。另外現在做的結果是,微球朝向哪一面電極,哪一面電極表面的孔就被堵死,效果也非常好。由于離子傳輸被切斷了,電池反應就停止了,電池就安全了。我們在中航做了一批20安 的時三元材料電池,從短路、擠壓、過充等實驗結果來看,比空白電池的安全性提高了很多。

解決安全性問題的第二個思路是,發展全固態電池。

實際上從提高體積能量密度來講,全固態電池也非常有前景。隨著電池密度提高,體積能量密度對乘用車來說越來越顯得重要。從第57屆日本電池會議上反饋的信息來看,韓國、日本的一些研發機構都在開展固態電池的研究,國內的ATL等一些大的電池企業也在做這方面的研究。8月份的時候我在無錫參加了一個固態電池會議,我想就一兩百號人,結果來了600多人,就是說這兩年固態鋰離子電池全球和全國都很熱了。

液體和全固態比較,主要優勢是高安全性。另一個特點就是能夠實現內串聯,有利于??楹拖低襯芰棵芏鵲奶嶸?。但是它的界面應力大、穩定性差,固體電解質必須跟活性材料顆粒充分接觸,否則無法實現鋰離子的傳輸。但是任何電極材料,不管是石墨還是三元材料,充放電過程中都會出現體積變化。一旦體積變化引起固/固分離,鋰離子的傳導就會受阻,電池性能就會急速下降。所以固體電池整個研發的重點之一是固體電解質的選擇,現在來看,硫化物是比較適合的,因為硫化物相對軟一些;二是固/固界面的構筑技術和穩定化技術,今年有一個固態電池的指南,馬上要發出來,怎么樣構筑這個固/固界面,而且要穩定,這里面就有訣竅了,如果用純粹的固體電解質做肯定做不到,最好的辦法就是無機和高分子的雜化體;三是生產工藝和專用設備的開發。固態電池的生產過程肯定跟我們現在的業態不一樣。

2、高載量電極的設計技術。特別是以后能量密度提高,這個問題更突出?;钚暈鎦試詰緋刂械惱急仁怯跋斕緋乇饒芰康囊桓鮒匾蛩?。我這里給出一個圖,給出了活性物質占比從0.45一直到0.7時電池能量密度的實現情況。同樣正負極材料,同樣的克容量,如果一個電池里面活性物質質量占比較小的話,電池的能量密度就低。所以要提高能量密度,一定要從相同重量的電池里面盡量多地填充活性物質?;钚暈鎦識嘁歡ㄊ歉ㄖ牧仙?,銅箔要減少、鋁箔要減少;其實最主要的是將電極做厚,電極厚了,集流體和隔膜的用量也就減少了。但是,鋰離子電極不能做厚,厚了之后電極表面極化就變大了,電極在厚度方向的利用率就降低,而且會造成充電過程中負極析鋰、正極分解等問題。從提高能量密度來講,希望越厚越好;但是極化理論告訴我們,電極越薄越好,這兩者是完全矛盾的。隨著能量密度提高,比如一個單體100瓦時/公斤,現在變成300瓦時/公斤,意味著單位重量的材料所承擔的電流同步提高,因此對于今后的高能量密度電池,保持功率性能是非常難的,所以高載量的電極設計技術越來越重要。

大家說沒辦法解決這個矛盾嗎?其實是有辦法的,實際情況是,越靠近隔膜的時候液相電流是越大的,這個電流就是外部電流;沿著極片厚度方向,液相電流慢慢減少,固相電流逐漸增加。所以越靠近隔膜電極孔隙應該越高,越靠近電極的極流體,電極孔隙可以越低。所以,既要保證高能量密度、又要保證功率性能,一定要設計一種梯度孔隙分布的電極,至于怎么做大家想辦法。隨著新材料的應用、電池能量密度的提高,梯度孔隙電極的設計越發重要。至于梯度達到什么程度,不是靠試驗摸索,試驗摸索很難的,要建立極化模型。

最后是我的總結:

鋰離子電池仍然是動力電池發展的重點,解決硅負極的循環庫倫效率低和富鋰錳基的電壓衰減問題,有望發展出比能量突破400瓦時/公斤的先進鋰離子動力電池。

從遠期來看,革新型鋰離子電池較鋰硫、鋰空更具現實可行性??⒒諞趵胱擁綰剎鉤セ頻母呷萘扛伙躉镎?,可以發展出比能量大于500瓦時/公斤的動力電池。

安全性決定了高比能電池裝車應用的前景,發展自發熱控制技術和全固態電池是可行的解決方案,需加緊攻關。

高載量電極是實現電池高比能的基礎,根據極化末新,開發梯度孔率電極,對于高比能量電池發展具有重要作用和意義。(根據發言整理,未經本人審閱)

艾新平個人簡介:武漢大學化學與分子科學學院教授;博士生導師;湖北省化學電源材料與技術重點實驗室主任;科技部《新能源汽車專項》指南專家和總體專家組動力電池責任專家。主要研究領域包括:鋰離子電池、鈉離子電池、鋰-硫電池,以及電池安全性技術。先后主持國家973項目課題、國家863項目以及國家自然科學基金項目10余項,發表學術論文100余篇,曾獲國家技術發明二等獎一項,省部級科技成果獎兩項。

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