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中国科学院物理研究所 黄学杰研究员:锂离子电池及其关键材料

[所属分类:行业新闻] [发布时间:2018-8-27] [发布人:管理员] [阅读次数:] [返回]

首先非常感谢合作单位的邀请,非常容幸有机会做这样报告,锂离子电池实际上今天跟我们生活密切相关,不仅跟电子产业,跟能源产业都有关系。因为今天5G时代,实际上需要更好的电池,手机电池在5G时代会带来一个变化,不仅仅是能量更高,那么它的充电速度会要求更快。大家今天重视锂离子电池更重要是两点,一个是新能源汽车快速发展,第二个就是储能产业现在在快速发展。新能源汽车重要性不讲了,国家有相关的计划。

今天我主要讲的是咱们做到什么程度,在这个过程中这个研究,特别是基础研究在里面起到什么样的作用。跟材料相关,所以说电池也是起着材料性能,而且70%的成本是由材料决定。过去我们知道四大关键材料里面,中国的规模已经是世界最大,但是在技术方面仍然是日本排在前面,韩国次之,然后中国排在第三。但是我们一些部分的材料开始有一些机会,因为主要是产业链不断完善。

2017年全球锂离子电池接近150 GW,大家相当于3000到4000个亿的规模。这个规模不是太大,但是就是说因为它涉及到信息电子产业、新能源、电动汽车,所以重视的程度比较高。因为这里面一个有名的事情,就是说在新能源汽车这边一直是有两个主要正极材料之争, 17年有了一个初步的答案。基本上就是说我们乘用车大部分开始选用三元,那么我们磷酸铁锂开始在商用车这一块跟储能这一块占据绝对的优势,为什么有不同的材料体系?

实际上锂离子电池材料体系很多,我们手机里面,我们口袋里面手机用的这个材料叫做钴酸锂,绝对不会用到汽车里面去。汽车用的磷酸铁锂也绝对不会用在手机里面来。是因为它每个材料有自己的特点,所以我们讲这个锂离子电池实际上针对不同的材料系,正极有这么多,负极待会儿我会讲到,也会出来很多种。正因为有不同正极和不同负极配备,所以才能适应小的手机,大的能供应一个地区的储能电站,就是这种百兆瓦。

一个就是说正极材料,因为大家知道锂离子电池是1990年的时候才开始命名的,那么91年索尼把它进行产业化的。那么从九十年代中期开始,做了几个工作。第一个有价值的工作,实际上跟我们的手机相关,但是就是说全球的手机电池如果说你只能充到4.20伏的时候,没有人敢破这个界限。因为教科书告诉我们这个材料你把50%的锂拿出来的时候,它的结构还是稳定的。一旦超过50%,它就变得不稳定了,所以没有人敢越雷池一步。所以这个时候物理所同志就想这件事情为什么不可能,先拿出70%-80%再说,到底问题出在哪儿,拿出来这个材料确实不能用了。但是问题出在哪儿,我们发现渐变的研究,然后就解决了,今天每一支手机电池都会冲到4.5伏,所以说这是早期信息产业做的一个工作。

那么就是说电动车产业做了两个工作,第一个工作就是锰酸锂,那么中国首先解决了锰酸锂表面处理,提升稳定性的问题。日本是掺杂,这个问题解决了以后,就是说高容量锰酸锂电池就会做出来。那么通过渐变的处理,同时你要把它的工艺做出来。一种材料做出来之后,你要做成电池,适应它的工艺会开发出来,选择结构上面,我们选择叠片的结构,这个叠片要变成场景的结构。这个场景需要把设备从完全的这种手工化到自动化做出来,所以这个是解决了第一代电动汽车,包括混合电动汽车这一块,就是说它的电池问题。

这个是08年的时候,那么解决了什么呢?解决了从这个轻型电动车,因为中国轻型电动车比较厉害,然后到混合电动汽车转变。到2008年之后我们需要更安全的电池,这一块也是三元材料。我刚才讲的是一个乘用车,三元材料跟锰酸锂、磷酸铁锂都是国家重点课题,同一课题、同一支队伍集中起来做。那个时候不像现在多课题,同一个课题,就是说在原材料就是搞材料的问题,当时材料不够安全,所以只能用在小型乘用车上面。所以就是说从小型车来讲,无论是宝马的I3还是特斯拉这一块,可以接受寿命短一些,但是能量高一些,那么价钱贵一些的电池。

如果要解决大型车辆跟大型的储能这一块靠什么?靠两个外国专家发明的磷酸铁锂。磷酸结构非常稳定,这个里面就是说国际上有很多证明,我就不细讲了。在08年的时候,磷酸铁锂电池在中国被做出来,做出来以后,就是说大电池首次拿到国际认证,那么开始就是说进入到国外的一些机构测试。这是在法国电力部门做的测试,很认真,做了两年,做了六千次的循环。

手机电池大家知道只能够用个三四百次,电脑电池能够用七八百次,但是我们轿车电池要求用一千次,但是我们客车电池要求用到三千次,我们储能电池要求用到一万次,所以要解决六千次的电池,这是实验室的结果。接着就是专车,有一种是共享租赁的车,这一种车在欧洲是放了2280辆,跑下来是什么情况呢?就是说它的里程并不是很高,一次一百多公里,大概充了两千多以后,把这些电池拿下来,给人很不错的感觉。另外一个不仅仅是容量它有85%以上,更重要就是说叫做DCR,就是几乎没有变化。也就是说车辆的动力性能在它的运行了六年、中间两千次没有任何变化。

中国是全球95%的磷酸铁锂材料和电池的生产国,所以说这个不仅仅为电动车辆,因为电动车辆需要更高的比能量,今天从120提高到180,所以系统也是到了比较高的水准。这个水准151已经相当于我们乘用车的较高水准,比如说特斯拉这个水准。这样电池不仅仅是用在这种国外的公交车上,更重要是它有机会来做这种高密度的储能,同样一个集装箱可以多装40%以上的电能,这个也是一个材料改变了一个行业。

接着我介绍一下创新的方面,因为这些材料是外国人发明。那么在创新这一块,那么在负极材料,就是说中国人不仅仅是在全球的生产量大于50%,也做了不错的创新工作。主要还是量大,主要是我们的石墨产量大,但是从新的材料来讲,硅碳材料咱们也是做了1500吨,也证明咱们新材料有创新能力。

因为这一块也是科学院做了重要的工作,也是一个二十几年的工作。那么因为想把石墨取代掉的话,这个工作是二十多年以前就开始,从日本开始,开始做一个氧化锡。那么科学院的工作,这个氧化锡首先纳米化。今天人人都知道的一个知识,那么二十几年前那就是一个新的认识,都能够形成合金的材料,能够组成更多的电能。都给它申请了专利,其中最重要的一个材料就是硅。因为硅可以储存最多的锂,因为每公斤硅可以储存最多的锂。这件事情做下来,也就是现在行业里面比较热门的硅碳,硅碳今天什么水平?现在大概在400到450毫安每克,已经比石墨高50%。那么说下一步希望能够比石墨高两到三倍,那么是今天的,我们提升的手机电池,我们提升电动汽车电池准备的材料。

接着就是说到了5G时代,我们还希望快充,电动汽车还希望快充,所以一个忽视了二十年的材料又被我们找出来,那么就是说96年我们开始做的这个锡,锡的特点我们就拿它来跟石墨材料来比,比的结果是什么?就是说在这个充电速度上面,比石墨要快两个数量级。这样的事情做起来以后,这样一个锡的材料有什么样的效果?不仅仅能够快充,它有可能比我们的石墨材料高一倍的比能量。现在500亿收益已经稳定下来,已经可以满足手机的需求。科学院为它建立相应的不同的实验室来推进它,是在广东的实验室是做下一代材料的实验,就是要把它做出来。在广东南沙这个实验室来做它的工艺,你必须要有适应新材料的工艺。在北京的雁栖湖建立了它的这种测试中心。那么我们需要从材料到工艺到测试,这些一起做起来,那么就有一个新的一代能够出来。总的来讲电池技术会随着材料技术的进步,今天我们在2020年之前,我们奋斗300Wh/Kg的电池,后续会走到400Wh/Kg、500Wh/Kg,很高兴跟大家交流,这个就是我们的简短报告。


 
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