吳鋒：原材料漲價背景下 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’第二屆動力電池應(yīng)用國際峰會暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”在北京啟幕。本屆峰會由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應(yīng)用分會承辦，無錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會人數(shù)超600人。
北京理工大學(xué)教授吳鋒在演講中，就動力電池關(guān)鍵材料研究的一些新進(jìn)展同與會嘉賓進(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！我跟大家匯報的是“動力電池關(guān)鍵材料研究進(jìn)展”。
現(xiàn)在中國新能源汽車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、動力電動化、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，會對我們今后的發(fā)展起到一些意想不到的作用。這里還有一個問題，我們講能源低碳化，我們國家現(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8千萬輛電動轎車使用，最近又150億度，就是1億量了。
現(xiàn)在在國家規(guī)劃里對動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，是這么一個指標(biāo)，一個是300Wh/kg，續(xù)航壽命還有成本。我們?nèi)绾蝸韺?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)在長續(xù)駛里程的電動汽車需要高比能，追求高比能同時又容易引發(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，所以我們在研究新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高比能量、高倍率富鋰錳基無鈷氧化物正極材料，通過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。通過離子交換法構(gòu)建表面的尖晶石通道，另外也通過這種材料的改性，通過它的協(xié)同作用來改善它的低溫性能。
在負(fù)極用有機(jī)硅生產(chǎn)出來的工業(yè)肥料為原料，來生產(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)和長壽命，通過導(dǎo)電的聚合物包覆和柔性組裝來達(dá)到這個目標(biāo)。我們通過用改性的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，并通過第三方檢測。
新體系的性能指標(biāo)，二次電池，這個紅的是現(xiàn)有的需求量，綠的是預(yù)估的，到2045年的需求量，它必然是一個爆發(fā)式的增長。剛才兩位院士都講了，原材料的漲價，碳酸鋰去年一年漲了4倍，鈷酸鋰今年一個月漲了1倍，如何來應(yīng)對？因?yàn)?a href="http://www.jnkqysj.cn/ldc/index.html" target="_blank">鋰離子電池的原材料漲價，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。這里邊一個多電子反應(yīng)。一個鋰硫電池，它的能量密度是2600，高過TNT炸藥1700，但是全國的石油化工每年的硫黃副產(chǎn)物有1千萬噸，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。我們通過三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、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，比如說通過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。
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，通過載硫量的提高，我們也做到了能量密度達(dá)到460瓦時/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，我們通過界面重構(gòu)設(shè)計具有大隧道正極材料，實(shí)現(xiàn)電子嵌入反應(yīng)，構(gòu)筑這個體系。這里關(guān)鍵的是我們采用了一種無黏合劑的正極，使得能夠避免電解液的腐蝕，在國際上也報道了它的機(jī)理。
剛才講的高比能下面有一個安全性，我們覺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，他按照我這個概念通過建立安全狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，將安全閾值邊界演化出來一個量化的安全度，并顯示在汽車儀表盤上，對于車推廣會有好處。
剛才鄭綿平院士講了回收，這個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?，現(xiàn)在我們國家進(jìn)口鈷已經(jīng)有69%電池用鈷，占了很大的比例。我們原來用天然有機(jī)酸來浸取正極，鋰和鈷都比較高。最近天然的琥珀酸，浸取率由原來的94%提高到99%，我們浸取出來的電池材料也達(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)極是一個外循環(huán)，因?yàn)檫@個碳，大家如果再用到電池上可能覺得不劃算，但是我們國家比如像電池，原來因?yàn)閺娜毡疽M(jìn)的三聚磷酸納被磷污染，用這個把這個碳制備成碳吸附劑，用在這個上面，國家每年需要560萬噸左右，用于高磷的污水處理。再把它作為磷肥一個緩釋肥放到田間，把這個做一個外循環(huán)，這個也是挺有意思的事。
我們這個團(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，否則就會曇花一現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)取決于市場，不能揠苗助長，否則就會是過眼云煙。
（根據(jù)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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