近日，在“動力電池企業(yè)技術(shù)交流會”上中國科學(xué)院物理研究所清潔能源實驗室納米離子與納米能源材料研究組研究員李泓博士的演講主題為“動力電池新材料研發(fā)進(jìn)展”。以下為李泓博士演講內(nèi)容：

　　今天我所探討的是動力電池新材料研發(fā)進(jìn)展。我們非常希望在材料方面也做到正向，對我們來說是比較難的。從企業(yè)來說首先是安全性，可靠性，還有成本技術(shù)指標(biāo)提出了系列的要求，這里面底線的指標(biāo)和長期發(fā)展的指標(biāo)都是非常高的。政府和國家對動力電池提出了非常高的能量密度的要求。像新能源汽車今年發(fā)布的項目，對于基礎(chǔ)研究的項目，希望鋰離子電池能量密度做到400Wh/kg，新體系電池樣品能量密度做到500Wh/kg。對企業(yè)來說300Wh/kg也是不容易的，要開發(fā)很多新的體系。《中國制造2025》要求做到400wh/kg以上，提出的一些方案里面關(guān)鍵詞主要是電池這兩個差距還是比較大的。

　　從產(chǎn)品指標(biāo)的角度考慮這個問題，我們再對比一下各個國家政府的相關(guān)要求。剛剛提到了《中國制造2025》，底下是日本的往上累的是中國和美國的競賽，今年啟動了3個專項都涉及到動力電池。

　　大家都希望將來是400wh/kg，為什么做這個指標(biāo)?多出自鋰離子電池安全性考慮。以北汽新能源EV200舉例，其百公里能耗為14kwh，壽命要求是10年20萬公里，而成本上現(xiàn)在已經(jīng)降低了許多。動力電池今后的發(fā)展，達(dá)到同樣續(xù)航里程的成本比目前高不少，所以說電動汽車的動力電池不發(fā)展到高能量，將來在純電動汽車上會面臨更激烈的競爭，甚至被燃料電池碾壓的情況。

　　從實際的發(fā)展角度看，整個的發(fā)展是很慢的而且是比較穩(wěn)健的，主要是技術(shù)和材料的升級換代，即便是按照路線去看的話，如果我們還能跟上現(xiàn)在發(fā)展的速度你到2020年就是做到300，2030年就是390瓦時每公斤，這個路線圖怎么一點一點實現(xiàn)，第二個到底能不能實現(xiàn)400瓦時每公斤甚至更高的?

　　液態(tài)電解質(zhì)鋰電池電池已經(jīng)發(fā)展了三代，去年有一個詳細(xì)的介紹，主要的就是在正極材料方面每一個都在升級換代，提高了電壓或者是容量;負(fù)極方面主要的變化，能量學(xué)的電池里面，把納米硅碳引入在電解液里面加入一些技術(shù)，包括陶瓷涂布的隔膜等等。現(xiàn)在看的鋰電池電池到底能做多高呢?低能量的密度確實非常好，就是犧牲了循環(huán)性更不用提安全性，實現(xiàn)了高能量，但是不是說循環(huán)性不能提高，還需要一些細(xì)致基礎(chǔ)的研究，這是法國的調(diào)查公司他看到的對材料的一個看法越來越多，現(xiàn)在很多團(tuán)隊和同仁都比較熟悉我就不細(xì)說了。

　　但是對于電池材料來說，有很多的問題和性能的要求，同時采取了至少有13種以上的技術(shù)來綜合地解決這方面的技術(shù)，每一根線都有很多細(xì)節(jié)的技術(shù)和內(nèi)容，你更換一個材料的時候，整個電池會很復(fù)雜地變化，研發(fā)這個電池材料特別慢，一般的需要十幾年以上，現(xiàn)在的很多團(tuán)隊和公司已經(jīng)在開發(fā)300瓦時每公斤的鋰電池了。現(xiàn)在在這個方面最難的一個問題就是高的負(fù)極容量帶來高的體積膨脹，那你在電芯層面上非常難涉及，核心的問題就是怎么解決在充電之后的體積膨脹能夠滿足現(xiàn)在的電芯企業(yè)的要求，另外就是說這些高能量密度的實現(xiàn)是可以的，但是他的綜合接入指標(biāo)能不能滿足應(yīng)用要求?是什么樣的上限這個不太清楚，這個里面有一些解決的方案，時間關(guān)系就不詳細(xì)討論了，歡迎大家有機(jī)會我們交流這方面的技術(shù)。

　　另外政府上要做400wh/kg和500wh/kg，這個經(jīng)過計算有一個模型，把現(xiàn)在石墨的負(fù)極，硅負(fù)極金屬鋰也放這里，如果做到800瓦以上還有機(jī)會，400wh/kg，500wh/kg還有一些解決方案，但是實現(xiàn)是非常難的，NC最高做到200，負(fù)鋰做到300，不同的負(fù)極材料這個是系統(tǒng)的計算，從計算上看似乎還是說有一些正負(fù)極材料的匹配實現(xiàn)高的密度，前面都是虛的計算，科學(xué)院在這方面的工作。科學(xué)院為了加強(qiáng)研發(fā)成果能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，解決實用問題，啟動了戰(zhàn)略先導(dǎo)A類項目，其中有一個納米項目，就是把過去20多年了科學(xué)院研究的納米技術(shù)爭取集中支持一下，希望對產(chǎn)業(yè)有一個幫助，在這些項目里面其中第一個就是動力電池，納米材料和納米技術(shù)很可能會用上。

　　對這類項目的要求，原來負(fù)責(zé)這個項目的陰和俊副部長提出，我們做的事情目標(biāo)清楚、要能用上、可考核，經(jīng)過第三方考核的，材料用的上，技術(shù)用的上，最后用上水平怎么樣，有沒有影響，影響能力多大有很多的指標(biāo)考核，所以這樣的項目就非常難了。他提出了具體的指標(biāo)，國家已經(jīng)提出來了2020年要做到300瓦時每公斤，到2015年要實現(xiàn)150瓦時每公斤，相關(guān)的電池材料正極電解質(zhì)隔膜等等也需要開始產(chǎn)業(yè)化。為了完成這個項目設(shè)了幾個主要的內(nèi)容，一個是60%的經(jīng)費到70%的經(jīng)費用到了鋰電池方面，開發(fā)高能量的正極、負(fù)極，高電壓的電解液，高安全的隔膜，集成在動力電池上面，從長遠(yuǎn)考慮我們需要布局固態(tài)電池，空氣電池在這方面也安排了。另外就是今天早上的陳老師提到了檢測水平，國內(nèi)的檢測水平還是有的，但是建了兩個平臺，我簡單匯報一下結(jié)果。有12家單位，大概有300人的研發(fā)隊伍，涉及各個方面。一個是硅負(fù)極，之后一直在做這方面的科學(xué)技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)19年，相當(dāng)難的事情。最近是在從應(yīng)用的角度一直在開發(fā)這個事情，主要的技術(shù)路線包括兩類，一個是SiOx/C，一個是Nano-Si，主要是從綜合的技術(shù)指標(biāo)不斷的迭代，2013年得到支持以后，可以做到批次500公斤的水平，大概是綜合的設(shè)計考慮，我在這里展示的是我們思想不是真實的事情。導(dǎo)入添加劑等等還是非常難的，納米歸談里面的難點是怎么樣得到100塊錢每公斤的納米硅，第二個如何把納米硅在顆粒當(dāng)中均勻的分散?

　　現(xiàn)在做到的是這樣的材料，大概是把納米硅分散在顆粒當(dāng)中，能夠進(jìn)入到批量的生產(chǎn)，在450毫安每時材料當(dāng)中，一般循環(huán)500次左右是高容量的負(fù)載，但是前面開發(fā)的氧化亞硅都在開發(fā)，但是效率低，納米硅碳的容量高都不是滿意的解決方案，所以我們正在開發(fā)新一代的富硅氧化物材料，減少帶來的挑戰(zhàn)。

　　這個新材料公司目前在國內(nèi)還在第三或者是第二位的，這里面就解決了一系列的技術(shù)問題，我就不詳細(xì)說了，負(fù)極材料有進(jìn)展，正極材料我們積累的比較少。在這個項目支持之后，主要針對高容量的等級，這個材料難的地方就是電壓衰減，這個工作當(dāng)中主要是通過表面結(jié)構(gòu)重新的重構(gòu)，解決了電壓衰減的問題，因此就可以開始試用，今年是在500公斤的量級。

　　另外一個材料就是高電壓的尖晶石，比較容易切換過來，最難的是用了這個材料以后電解液等等需要全面的升級，所以這個方面還是需要提升，特別是高溫55度的問題。為了解決高電壓富鋰材料，這個在國內(nèi)上是非常重要的也是也很有挑戰(zhàn)，現(xiàn)在可以在高電壓當(dāng)中相對來說穩(wěn)定的循環(huán)，在電解液方面還有添加劑。隔膜我們感覺直接用還是有點問題，所以說開發(fā)陶瓷隔膜，同時用纖維素的基材，耐高溫，但是這個好象還不能最終用在我們的電池上，主要就是一致穩(wěn)定性，現(xiàn)在是小試到中試的階段，但是展示的前景是有一些希望，纖維素隔膜加上陶瓷顆粒，其實我們還開發(fā)了離子導(dǎo)電涂層隔膜。

　　石墨烯都開發(fā)了很長時間了，以及涂層的技術(shù)，都能做到幾十噸量產(chǎn)的水平，用剛剛的材料做了初步的電池，這個電池可以做到375瓦時每公斤，但是循環(huán)性不行，容量低循環(huán)好，主要是在高體積膨脹下怎么解決一系列輔助材料的問題。

　　最后我介紹一下固態(tài)金屬鋰，理論計算上考慮，鋰電池的提升，還有一個可能還用鋰電池的電池，金屬鋰電池，還有空氣電池，包括了氧、水、二氧化碳等不同的電池的體系，在剛剛的計算結(jié)果當(dāng)中可以看到綠色的金屬鋰比較高，硅負(fù)極比較厲害，如果2000毫安的硅，膨脹在200以上這個相對來說，鋰的膨脹更容易解決一些，如果沖擊更高能量的電，還能用后電池的想法，但是這個力學(xué)等等還有一些挑戰(zhàn)。

　　金屬鋰電池已經(jīng)研發(fā)了50多年，特別是80-90年代有很嚴(yán)重的問題，目前沒有證據(jù)表明金屬鋰電池是安全的。用金屬鋰電池改變的問題，主要是非均勻的沉積和析出跟石墨和硅不一樣，第二個是SEI膜不穩(wěn)定，所以很多人還是希望用固態(tài)解決這個問題。固態(tài)的一個關(guān)鍵點就是說可能在理論上解決，所以有很多的安全性和好處，以及循環(huán)系數(shù)的好處，另外還可以做內(nèi)串，比如說聚合物類的，以及添加一些液體的電解液，在國際上有很多的公司投入很多，但是從實際的角度考慮，能量密度高的電池目前沒有做出來，這里面關(guān)鍵的問題是正極這一塊的電阻怎么解決的問題。

　　我介紹一下科學(xué)院做的工作，一個是中國科學(xué)院寧波材料團(tuán)隊做的，還有就是上海硅酸鹽研究所郭向欣團(tuán)隊做的實驗，另外我們最近提出來做原位固態(tài)化的思想，用基本上兼容現(xiàn)在疊片式的，目前初步得到了一個高的體積能量密度，電極化也是非常小的，這個是后期要發(fā)展的。從電池發(fā)展的角度來看，現(xiàn)在的鋰電池軟包從15-20液體的含量，全固態(tài)金屬鋰電池負(fù)極都是金屬鋰，整個電池當(dāng)中沒有任何的液體，可能是過程當(dāng)中感覺為了提高能量密度，同時兼顧安全性，從凝膠半固態(tài)到固態(tài)可能是一個發(fā)展的路子，目前像東芝還有國外的公司也在探索當(dāng)中，只是要解決這個不同的液體到底是什么東西，這里面還有很多的細(xì)節(jié)要研究的地方。

　　從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度，固態(tài)電池區(qū)別的就是固態(tài)電解質(zhì)，可能會用到金屬鋰電池，鋰電池也是很強(qiáng)大，這個實際上就是在產(chǎn)業(yè)的發(fā)展當(dāng)中，一旦電芯技術(shù)關(guān)鍵材料可以突破，就可以迅速進(jìn)入到市場當(dāng)中去，所以我們提出了一些路線圖，也許最快在2019年拿出電池包來，2020年有可能試水到商業(yè)化的程度，有一些全固態(tài)的還比較慢，真正的全固態(tài)可能要更長的時間，稍微含有一點液體的電池會比較快，因為兼顧了能量密度和安全性。

圖片來源：找項目網(wǎng)