中國科學(xué)院院士張鎖江：材料革命將推動電池儲能革命

2017-09-12 15:57:32 新材料在線　點擊量：評論 (0)

8月26日，中國科學(xué)院院士張鎖江在2017動力電池新材料技術(shù)與發(fā)展高峰論壇上作了題為《動力電池系統(tǒng)的機遇與挑戰(zhàn)》的精彩報告。他指出，社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對動力電池技術(shù)的突破提出了剛性需求，現(xiàn)今動力電池行業(yè)得

在高容量電極材料方面，目前需要重點突破第三代動力電池電極材料，這是針對電動汽車和規(guī)模儲能用的。高電壓高電容正極材料的研發(fā)策略是材料改性結(jié)合電解液優(yōu)化，包括濃度梯度材料＋包覆、摻雜改性；人造CEI膜或添加劑原位構(gòu)造CEI膜。高容量高穩(wěn)定性的硅碳負(fù)極材料的問題解決策略則是SiOx顆粒可控生長、碳原位包覆；SiOx/C納微復(fù)合多級結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。硅球與碳納米管整體電極的研究，解決了硅膨脹和導(dǎo)電性差的問題；硅碳負(fù)荷微球材料的容量高、循環(huán)穩(wěn)定；硅碳三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則進(jìn)一步提高容量至1100mAh/g。

高壓電解液方面，可以看到電解液現(xiàn)存的問題是適應(yīng)性差、種類繁多，我們近期目標(biāo)是開發(fā)高壓、高安全電解液，把離子液體作為添加劑。中長期目標(biāo)是開發(fā)出一種兼容性強、適應(yīng)更多種類電極材料的電解液。高壓安全電解液的研究工作很龐大，是一個系統(tǒng)的工作。我們的思路是通過研究離子液體構(gòu)效關(guān)系，開發(fā)離子液體添加劑、離子液體共溶劑、離子液體全溶劑，再研發(fā)出新一代離子液體電解液，最后實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

我們從2007年開始研究離子液體電解液，到2016年做到了規(guī)模化生產(chǎn)。最新的一個工作是開發(fā)了4.95V高電壓離子液體電解液，10次循環(huán)后效率大于99.5%，200次循環(huán)容量保持率為95%。我們把它做成了鎳錳酸鋰/鈦酸鋰全電池，性能還不錯。送到多個第三方檢測機構(gòu)檢測，結(jié)果顯示比國外的電解液還要好一些。目前離子液體及離子液體電解液已經(jīng)國內(nèi)外多家使用。

電解液溶劑的設(shè)計開發(fā)也很重要，EC（碳酸乙烯酯）、DMC（碳酸二甲酯）是電解液中重要的溶劑。它的反應(yīng)是離子簇催化的過程，這些過程沒有辦法都用實驗來觀察到，所以我認(rèn)為要想辦法在“大”的條件下去模擬出來，如今是做到了。然后是突破了反應(yīng)器放大的難題，我們用兩年時間優(yōu)化工藝，大幅降低了工藝系統(tǒng)的能耗，解決了反應(yīng)器內(nèi)氣液分布不均的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)氣液100%轉(zhuǎn)化，也降低了后續(xù)處理的能耗。另外，我們希望能把年產(chǎn)7萬噸的離子液體均相催化DMC新工藝的工地建設(shè)起來。

回到動力電池本身，這個系統(tǒng)里面包含了非常多東西，需要解決幾個“一致性”的問題。我認(rèn)為要大力提升生產(chǎn)信息化、智能化水平，構(gòu)建大數(shù)據(jù)全生命周期管控體系，具體需要實現(xiàn)原料一致性、工藝一致性、環(huán)境一致性。比如材料中帶芯片，這樣的智能材料可以實時響應(yīng)，全生命周期跟蹤，大數(shù)據(jù)處理。所以要把電池管理系統(tǒng)（BMS）的開發(fā)工作做起來，采用數(shù)值模擬強化物質(zhì)、熱、電、信息一體化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警管理。電池系統(tǒng)的信息流非常重要，要建立系統(tǒng)方法來揭示物質(zhì)、能量、信息的耦合關(guān)系，支撐電池系統(tǒng)創(chuàng)新。電池要有BMS進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)單體電池電壓、溫度、充放電電流的實時監(jiān)測與控制優(yōu)化算法精準(zhǔn)地對電池組SOC、SOH狀態(tài)進(jìn)行估算和監(jiān)控。更重要的是實現(xiàn)電容器跟電池的耦合，通過耦合構(gòu)成一個大的系統(tǒng)，大幅度節(jié)能。

第二個是超電容，超電容主要是要提高它的電壓。我們開發(fā)了凝膠電解質(zhì)，多種形式的炭復(fù)合材料可以發(fā)揮其高比電容的優(yōu)勢。摻氮活性炭雙層電容器能量密度可以達(dá)到130Wh/kg。而準(zhǔn)固態(tài)鋰離子超電容的內(nèi)阻小、電化學(xué)窗口達(dá)4V，最大能量密度可以達(dá)到146Wh/kg，最大功率密度可以達(dá)到22.6KW/kg。

第三個是儲能，我們國家的儲能行業(yè)正處于高速發(fā)展的階段，但是一般儲能用電池的能量密度都很低，而鋰離子液流電池的能量密度可達(dá)50-100Wh/kg，或許能成為新一代的規(guī)模儲能技術(shù)，目前也正朝著商業(yè)化發(fā)展。在鋰硫液流半固態(tài)電池方面，我們設(shè)計和制備了具有“自穩(wěn)定”特性的電極漿料，流體電極穩(wěn)定性高、流動性高、黏度低、電導(dǎo)率高、倍率放電性能突出，能量密度可達(dá)400Wh/L。流體電極循環(huán)性能方面，1C倍率循環(huán)1100周后容量保持51%，穿梭效應(yīng)得到抑制。我們還支持間歇流動放電和連續(xù)流動放電，也可以長時間流動充放電。

三、未來展望

最后講講未來的展望。

不得不說，動力電池迎來了大發(fā)展。首先是高能化，從現(xiàn)在的200Wh/kg、300Wh/kg的目標(biāo)朝未來500Wh/kg發(fā)展，甚至?xí)摺Ｆ浯问前踩裕娊庖簭囊簯B(tài)、凝膠往全固態(tài)發(fā)展。還有快充化，從現(xiàn)在的幾十分鐘到幾分鐘，充電時間越來越短。我認(rèn)為這些目標(biāo)一定能實現(xiàn)。

而儲能電池市場的潛力非常大，國家正在發(fā)展清潔能源，儲能是能源革命的關(guān)鍵支撐點。2030年中國風(fēng)光儲能市場空間有望達(dá)到1萬億元。我們在實驗室開發(fā)了一個MW（兆瓦）級鋰離子液流儲能電池示范工程建設(shè)，將來希望達(dá)到10MW、100MW級別。

另外，我們要關(guān)注“后鋰電”時代的幾種電池。燃料電池需要提高能量轉(zhuǎn)化效率，重點解決催化劑中毒的問題。鋰-空電池則要解決“鋰枝晶”問題，其中電解質(zhì)是關(guān)鍵。到了2025年左右，金屬鋰電池或許會迎來大發(fā)展。

說了這么多，電池回收也是非常重要的。我們國家的鋰、鈷、鎳大多依賴進(jìn)口，其中國內(nèi)鹵水資源中的鎂鋰比高、開發(fā)難度大，云母礦品味低；而鈷的含量僅占世界的1.03%，消耗卻占全世界總量的50%，95%以上依賴進(jìn)口；鎳含量僅占全世界總量的3.0%，消耗卻占全世界的20%以上，進(jìn)口率高達(dá)60%。電池回收是可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

另外，鋰鹽的供求關(guān)系需要高度重視。數(shù)據(jù)顯示，我國鋰總儲量排名世界第二，但鋰產(chǎn)量僅占全球的5%以下。其中2015年碳酸鋰需求量為7.9萬噸，大部分是進(jìn)口的。預(yù)計2020年世界碳酸鋰總需求量為46萬噸，我國需求總量將達(dá)到18萬噸。我們有必要創(chuàng)新鹽湖提鋰新工藝，比如沉鋰母液未能有效利用，直接外排造成了浪費，另外，高純碳酸鋰生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)也是當(dāng)前國際難點，這些情況都要改善。

總結(jié)起來，材料革命將推動電池儲能革命。從材料到電池的革命，將改變世界、改變生活。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們必須構(gòu)建電池儲能的研發(fā)大平臺。我在想，深圳是否能建成一個真正的電池國家級平臺？將大學(xué)、研究所、產(chǎn)業(yè)界的優(yōu)勢力量集成，共同搭建這個大平臺，滿足國家能源領(lǐng)域戰(zhàn)略需求，體現(xiàn)國家意志、承擔(dān)國家任務(wù)。這將成為國家創(chuàng)新體系的核心力量。

今天講了這么多，到底如何迎接新挑戰(zhàn)和新機遇呢？歸納如下：認(rèn)識大勢，變革觀念；需求牽引，協(xié)同創(chuàng)新；總體規(guī)劃，重點突破。

最后我想用彼得˙德魯克的話做結(jié)語，“我們無法左右變革，只能走在變革前面”，希望跟大家一起創(chuàng)造美好的未來，謝謝大家。

原標(biāo)題:動力電池系統(tǒng)的機遇與挑戰(zhàn)