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中国工程院院士陈立泉:新一代电池要发展固态电池

2021-5-14 17:11| 发布者: amtbbs| 查看: 958| 评论: 0

摘要: 2021年1月15-17日,第七届中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆以线上方式举办召开,本届论坛以“新发展格局与汽车产业变革”为主题,聚焦产业发展的趋势动态、热点痛点等问题。在1月17日上午进行的未来电池论坛上 ...

2021年1月15-17日,第七届中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆以线上方式举办召开,本届论坛以“新发展格局与汽车产业变革”为主题,聚焦产业发展的趋势动态、热点痛点等问题。在1月17日上午进行的未来电池论坛上,中国工程院院士陈立泉发表了主题演讲。

电动汽车,电池,固态电池,钠离子电池

中国工程院院士陈立泉

以下为演讲实录:

大家好!我是中国科学院物理研究所陈立泉,我代表我的同事李泓、胡勇胜和卫蓝新能源的俞会根和天目先导的罗飞跟大家一起交流。我今天交流的题目是“新一代电池,引领电动中国”。

目前的电池是什么呢?目前的电池就是锂离子电池,大家都很熟悉的石墨负极,然后磷酸铁锂或者三元或者钴酸锂做正极,电解质是可燃的液体电解质,容易引起安全忧虑,另外它的能量密度到了300瓦时/公斤,已经到了液态锂离子电池的一个极限。我们下一步或者新一代电池就是要发展固态电池或者说我们逐渐要过渡到全固态锂电池。

固态锂电池的负极材料可以是纳米硅和石墨的复合负极,正极可以是高电压锰酸锂、也可以是富锂锰基材料或者说是不含锂的正极材料,电解质是固体电解质,它的能量密度可以300—450瓦时/公斤。再下一代就是远期的,锂硫电池或者锂空气电池。与此同时,我们现在应该要发展钠离子电池,钠离子电池跟锂离子电池基本上差不多,工艺技术各方面都差不多,它的负极也是碳,我们现在是用无烟煤,正极可以不含贵重金属,像钴、镍都不含,可以只是含铜、铁和锰这些比较便宜的元素。电解质目前是液态电解质,下一步也要发展固态钠离子电池。目前钠离子电池能量密度可以到150瓦时/公斤,做得好的话可以到200瓦时/公斤。

我们目前能源的形式必须介绍一下。目前我们中国的能源情况是富煤、少气、缺油,就是石油我们是很缺的。2018年我们的能源状况,是煤、石油、天然气加起来占整个能源的85.6%,水、风、光、核能加起来是占18.3%,应该说化石能源是为主的。我们2018年自产的原油是1.9亿吨,国外进口的原油是4.6亿吨,对外依存度已经是71%,原来我们建议对外依存度不要超过50%,实际上已经远远超过了50%,汽车的保有量是2.4亿辆,如果按一辆汽车平均2吨油算的话,那么我们进口的原油4.6亿吨正好是够我们的汽车用,所以我们一定要电动中国,要发展电动汽车,这样来取代进口油,这就是为什么我们要交通电气化。同时,要实现设备的智能化,智能化的设备一定也需要电池。

另外,习主席倡导构建全球能源互联网,以清洁和绿色方式满足全球的电力需求。同时最近又指出,2030年前我们的碳排放要达到峰值,要达到这一点的话,非化石能源占比将达到25%,那么风电和太阳能的装机总量将达到12亿千瓦以上。2020年5亿千瓦,所以未来10年每年要增加0.7亿千瓦,任务是相当艰巨的,2060年我们要实现碳中和,这就是习主席最近发布的我们中国的一个时间节点。

这样我们一定要特别强调能源互联网,能源互联网就可以实现能源的低碳化。那么要发展能源互联网一定需要储能,储能现在一个是锂离子电池、一个是钠离子电池,所以这就是新一代电池的重要性。

下面就介绍一下交通电气化,包括几个方面:

第一个,电动汽车,这个是大家很熟悉的,我们从2000年开始就有电动汽车的计划。

第二个,我们目前一定要关注电动船舶。一艘万箱船的硫排放量相当于15万辆重型卡车,对环境污染是相当厉害的,所以我们一定要发展电动船舶,特别是远洋船舶,我们可以发展无人的电动轮船。

第三个,电动飞机,最近中国从2017年开始连续三年在中国开了电动航空的会,所以电动飞机的发展是未来我们发展的一个方向。

因为这三样东西:电动汽车、电动船舶和电动飞机,对改善环境都是相当重要的。

能源互联网有五大特点:第一个,所用的能源都是可再生能源。第二个,是分布式的、分散的。第三个,是互联的,如果说要构建网,一定要把它连起来。第四个,这个网连起来以后是开放性的,随时可以把多余的能源卖出去,也可以从网上去买所需要的能源,是开放性的。第五个,这个是智能化的,都是由智能控制的。这五大特点一定都需要电池,一个是锂离子电池,一个是钠离子电池。

现在的锂离子电池,刚才我已经介绍了,是液体电解质,负极是石墨,正极是含过渡金属的氧化物这类材料。

它的能量密度,极限是300瓦时/公斤或者稍稍再高一点,安全事故时有发生,着火或者爆炸,所以我们要发展固态锂电池或者全固态锂电池,用金属锂做负极。目前这一阶段可以不用金属锂,可以用纳米硅或者硅碳复合材料做负极。正极可以利用现有的比较便宜的含过渡金属的正极材料,同时也可以将来发展不含锂的正极材料,中间的电解质是固态的,可以是氧化物、也可以是硫化物、也可以是聚合物,我们目前是原位固态化,下面我要讲什么叫原位固态化,能量密度可以高达350—500瓦时/公斤,不燃烧,不爆炸,安全性比较高。

物理所实际上很早就开始研究固态电池,从1976年我们就开始研究固体电解质材料。以后我们对固体电解质一直没有停止过研究,最近我们从计算上发现一些新的材料,同时我们也对固态电池的安全性做了很多工作,发现固态电池安全性是很好的。我们2016年成立了卫蓝新能源公司,2018年固态电池能量密度到了300瓦时/公斤,而且我们进行了样车的试验,2019年在溧阳成立了生产基地,现在固态电池产品已经供给无人机使用,电池安全性都通过了测试。它的原材料包括硅碳负极都在批量的生产,同时固态电池所需要的涂固态电解质材料的隔膜也可以批量生产。

这里介绍一下固态电池核心材料的情况,现在预锂化需要的锂箔和涂固体电解质粉料的隔膜都已经产业化了。同时,纳米固态电解质对正极材料可以进行包覆,特别是高镍正极材料,如果不进行包覆的话,它的安全性是没有保证的。我们做包覆以后它的容量是相当高的,容量可以到210mAh/g,在高温下容量更高一些。

纳米硅,刚才我说了,我们目前用纳米硅和石墨做复合的负极,现在锂离子电池实际上也用纳米硅,我们是1996年开始研究纳米硅,1997年我们就在国际上申请了第一个纳米硅做负极的专利,从1997年开始,我们经过了大概17年的时间,从几百毫克一直到几百公斤,现在我们成立了天目先导公司,专门生产纳米硅材料,可以批量的来供应国内外的需求,这是纳米硅发展的情况。

同时,我们对纳米硅也要进行预锂化,这里显示我们电池预锂化以后容量还是相当高的,到了每克1000多毫安时。显示的18650电池的循环性是相当好的,这是使用的情况。

下面特别介绍一下原位固态化。这个图的上边一部分就是铜箔的集流体,黑的是阳极侧,负极材料纳米硅或者硅碳负极,下面这个绿颜色就是隔膜上的LATP(磷酸钛锂铝)涂层,它是电解质材料,使液体电解质原位固态化。也可以看得出来,通过充电、放电几次以后,在阳极材料的表面,就是这个黑颜色的颗粒表面就包上一层SEI膜。在隔膜的表面,因为涂了一层LATP,也变成了有SEI膜的固态电解质,正极、负极跟电解质完全是成为一体了,这就是原位固态化。

这张图显示的,分别包氧化铝和LATP固体电解质材料的隔膜循环稳定性,可以看得出来,包氧化铝的隔膜循环性不好,而包LATP固体电解质的隔膜循环性相当好。这就是目前我们固态电池的一些工艺比较详细的情况。

这是卫蓝新能源一些新产品,新的产品里头我特别强调一下,这个电池能量密度可以到1540瓦时/升,这是目前全世界最高的体积能量密度,它的重量能量密度可以到600瓦时/公斤,它的电池容量是25安时。

这张图介绍了300瓦时/公斤的高比能的混合固液动力电池情况,容量是58安时,它的能量密度是300瓦时/公斤。图右上面是液态电解质电池,穿刺会起火、要爆炸,而固体电池穿刺没问题。这显示的是它的温度,基本上没有什么大的变化。这是穿刺电压的情况,可以看得出来,那条红线,只要钉子一扎进去它电压往下降,但是过一会儿电压可以恢复了。这是58Ah电池的循环性,1400周容量保持率还有80%。另外,它低温性能也相当好,红线是低温性能,负20度的容量保持率可以78%。倍率特性也是相当不错的,0.2C一直到3C,基本上容量变化很小。

这是400瓦时/公斤高比能的固态电池,它的电池容量是11安时,中间是电池的情况,上面右上角是它的0.3C循环性的情况。可以看出来它的安全性也还是不错的,钉子扎进去以后它的电压也往下降,钉子还在里头电压逐渐往上升。针刺的时候温度上升很小,差不多也就是两三度温度的上升(黑线和红线是正负极两边的温度情况),所以400瓦时/公斤的高能固态电池同样安全性还是不错的。

这个显示的是物理所创办的卫蓝新能源公司的一个子公司卫国创芯科技公司,在去年的一次评比上它得了四项第一,这里显示的是高能量密度的一等奖电池的情况:0.2C,能量密度达610瓦时/公斤;2C,能量密度可以到500瓦时/公斤,所以应该说能量密度是相当高的。

下面我就介绍一下钠离子电池,为什么介绍钠离子电池呢?因为锂离子电池现在全世界都在做,如果说全世界的车都用锂离子电池来开,全世界的电能都用锂离子电池储存的话,根本不够,所以我们一定要考虑新的电池,钠离子电池是首选,锂的含量是相当少的,只有0.0065%,钠的含量2.75%,应该说钠的含量相当多。这张图显示的,我们以磷酸铁锂电池(锂离子电池中最便宜的)作为一个对比,它每瓦时的原材料成本是3毛4,钠离子电池的原材料成本每瓦时是2毛6,比较便宜。另外,我们最近可以看得出来,2021年碳酸锂的价格还在上涨,1月4日是54000元/吨,比去年上涨了12000元/吨,有的公司甚至报63000元/吨,估计以后碳酸锂的价格还会涨,这是我们一定要发展钠离子电池很重要的原因。

我们从2010年开始就开始钠离子电池的研究,经过将近10年的时间,从原材料开始研究,正极材料发现了四五种,负极材料也发现了四五种,最后我们选定了右边这个正极材料,右上角是含铜、铁、锰便宜金属的正极材料,右下角是无烟煤做的碳材料,这样就保证了材料的成本相当低。

下面介绍一下6安时软包装钠离子电池的能量密度达到了145瓦时/公斤,已经是相当高了。可以快充,5C充/5C放是1C充/1C放容量的90%, 10C充/10放容量是1C充/1C放的70%,应该说快充性能比锂离子电池还好。它的循环性,1C充/1C放的循环性可以大于6000次,3C充/3C放可以到3000次,所以它的循环性还是相当不错的。

另外,它的高低温性能都是不错的,左上角就是60度把它充满电,然后让它在高温60度存放7天,它的容量有所下降,在常温下,很快它又恢复。左下角那个图是充满电以后在85度存放7天,它的容量就降低了,放在常温下以后容量也还是恢复了。右上角是80度的循环性,一般锂离子电池80度循环性就相当差了,但钠离子电池在80度的循环性还是相当好,将近1000次容量保持78%。

另外看低温性能,图中蓝颜色的曲线显示出钠离子电池低温性能,它在负40度还可以充放电。黑颜色是磷酸铁锂电池的放电曲线,可以看得出来,磷酸铁锂在负30度的时候它的容量就已经相当低了,只由原来的40%,所以钠离子电池的低温性能、高温性能都很好。中科海钠公司是物理所的技术成立的公司,这里是各类钠离子电池的情况,包括软包装的、铝壳的和圆柱形的情况。

科学院物理所从2010年开始钠离子电池研究,上面图是材料的研究,下面图是电池的研究,大概2015年研制出第一个软包装的电池。这是电动自行车。这是2017年我们演示了电动汽车,这个是2019年我们演示的第一个储能电站,这是电动观光车。这就是整个钠离子电池的发展情况。

我就介绍这么多,最后用两句话来结束我的交流。第一句是“固态电池大干快上,引领电动中国”。第二句是“钠离子电池并驾齐驱,助推能源互联。”

谢谢大家!

来源:AI汽车





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