“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)得到迅猛發(fā)展，中國在2016年超越日本成為全球動力電池第一大生產(chǎn)制造國。但目前動力電池性能亟需提升，提高電池能量密度是眾多待突破技術(shù)中的核心。目前最有效的解決策略是在電極材料和電解液領(lǐng)域進行技術(shù)創(chuàng)新。”

 

中國科學(xué)院院士張鎖江于8月26日在“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)》的精彩報告中講到。

 

在此次論壇會議上，他著重強調(diào)了動力電池系統(tǒng)發(fā)展中所遇到的機遇和挑戰(zhàn)，并從三個方面做了論述。其演講實錄摘編如下：

 

一、機遇與挑戰(zhàn)

 

首先談?wù)勈澜绲拇筅厔荨Ｎ覀內(nèi)缃裆硖?ldquo;地球村”，互聯(lián)網(wǎng)等媒介將全世界都連接在了一起。當(dāng)代另一個明顯的重要特征：科技發(fā)展日新月異。這些大挑戰(zhàn)反饋給科技創(chuàng)新，會帶來什么樣的趨勢呢？具體到重要研究方向，我認為是新能源、新材料、生命健康和綠色環(huán)保。

 

電動汽車將對世界能源格局的變化產(chǎn)生深遠影響，目前全世界都在大力發(fā)展電動汽車。2016年，我國電動汽車銷量突破50萬輛，預(yù)計2020年的產(chǎn)量將達到200萬輛，產(chǎn)值超過6000億元。

 

我國原則上不再核準新建燃油汽車項目，并嚴格控制現(xiàn)有汽車企業(yè)擴大傳統(tǒng)燃油車產(chǎn)能。國外方面，在G20漢堡峰會上，法國、德國、印度、挪威等國家明確表態(tài)將全民禁售燃油車，松下、三星、LG等知名公司著手大力發(fā)展電動汽車電池市場，已開啟車用電池“大戰(zhàn)”。

 

電動汽車已不僅僅只是一輛車，而是一個新的機遇。它將能極大地解決環(huán)境污染問題、能源危機、同別國的爭端問題，同時促進智能車的發(fā)展，并通過車聯(lián)網(wǎng)讓“地球村”聯(lián)系得更緊密。

 

電動汽車將通過智能電網(wǎng)與新能源發(fā)電共同發(fā)展。電池儲能是一個大的系統(tǒng)，在很多領(lǐng)域上都能應(yīng)用，比如3C產(chǎn)品、電動汽車、智能穿戴、航空航天和規(guī)模儲能等。每一個領(lǐng)域?qū)﹄姵氐囊蠖疾灰粯樱热?C產(chǎn)品需要的是小型化、高能量的電池，而電動汽車則要求高能量、高功率、長壽命的電池。

 

實際上，電池儲能是一個產(chǎn)業(yè)鏈，從國家的角度來講要建立貫通研發(fā)的模式，關(guān)鍵技術(shù)主要靠科學(xué)院、科研機構(gòu)來解決，當(dāng)然也包括一些企業(yè)的研發(fā)中心。那企業(yè)主要做什么呢？企業(yè)要做關(guān)鍵示范，然后再推廣。

 

目前，從材料、器件到系統(tǒng)這樣一個貫通的研發(fā)模式已經(jīng)存在，只是仍然比較松散。大家都說科技成果轉(zhuǎn)化力不夠，事實上是從ABC到XYZ的鏈條沒有做好，這里面包含了一個系統(tǒng)的研發(fā)模式，包括從分子水平分析、納微成像到中試、工業(yè)示范、實況產(chǎn)品檢驗等，主要的挑戰(zhàn)是動力電池、規(guī)模儲能、特種電池的放大效應(yīng)，需要科研和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合起來，構(gòu)建一個完整的、先進的研發(fā)大平臺。

 

關(guān)于鋰電池的研究，大視野下的納微原位解析是非常重要的，要建立跨尺度的模擬仿真技術(shù)，特別是納米級別的模型尤為重要，但這一條研究鏈并沒有建立起來。另外，智能大數(shù)據(jù)系統(tǒng)急需建立，剛才新材料在線®和尋材問料也提出來了，這個大數(shù)據(jù)系統(tǒng)要服務(wù)于成千上萬家的企業(yè)，成為科研單位、企業(yè)和用戶之間的橋梁和紐帶。除此之外，要建立共享的理念。共享是沒有邊界的，比如北京的中關(guān)村、懷柔、上海、深圳、廣州和香港等地都可以共享人才、共享平臺、共享資源、共享成果，這個理念非常重要。

 

那具體在運作模式上是如何實現(xiàn)的呢？大家來自五湖四海，股份制是最好的，新的運作模式就是共同創(chuàng)造、共同分享、引領(lǐng)未來。如果我們要建一個國家級的大平臺，一定要做到“三總”（總指揮、總工程師、總保障師），分工協(xié)作。總工僅僅負責(zé)技術(shù)方面的事情，資金或者其它事務(wù)讓總指揮來做，另外有總保障師做后勤保障。

 

我們正在面臨著一個歷史性的重大機遇，中國2016年已經(jīng)超越日本成為全球電池儲能第一大國，而且動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2016年銷量達到30GWh。科研方面，全釩液流電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，鋰液流電池進入示范階段。中國強大的經(jīng)濟社會發(fā)展對電池儲能技術(shù)突破提出了剛性要求。

 

二、研究進展

 

這部分主要講講我們目前的研究進展，針對動力電池、超級電容和儲能電池。

 

1 .動力電池方面

 

動力電池目前主要存在四方面問題：一、續(xù)航里程短、成本高；二、充電速度慢；三、安全性差，易燃易爆；四、環(huán)境適應(yīng)性差。

 

在全世界范圍來看，這些問題都是普遍存在的，其中續(xù)航里程短可以歸結(jié)為能量密度低。怎樣讓動力電池既便宜又擁有高能量密度呢？這是一個很難解決的問題。我們最近與北京協(xié)同創(chuàng)新研究院、美國康奈爾大學(xué)都有在研討這個問題。

 

能量密度要提高到300Wh/kg，電極材料和電解液的創(chuàng)新是根本，這也是一個系統(tǒng)的問題。電極材料方面，我們要從磷酸鐵鋰/石墨體系過渡到三元/石墨體系，未來朝向高鎳三元/硅碳體系發(fā)展。電解液則是從常規(guī)的4.2V電解液往高壓電解液（4.8-5.0V）發(fā)展。

 

總的來說，提高動力電池性能，需要解決高容量電極材料問題、高壓高安全電解液問題、電芯及電池組工藝問題。我們這些年組建了從材料到系統(tǒng)的協(xié)同創(chuàng)新團隊，研究電極材料、新型電解液，并和企業(yè)合作進行電池組裝測試實驗。

 

（1）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)則進一步提高容量至1100mAh/g。

 

（2）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，所以我認為要想辦法在“大”的條件下去模擬出來，如今是做到了。

 

（3）電芯及電池組工藝

 

接著突破了反應(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)化算法精準地對電池組SOC、SOH狀態(tài)進行估算和監(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。

 

2 . 超級電容

 

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到130Wh/kg。而準固態(tài)鋰離子超電容的內(nèi)阻小、電化學(xué)窗口達4V，最大能量密度可以達到146Wh/kg，最大功率密度可以達到22.6KW/kg。

 

3. 儲能電池

 

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。我認為這些目標一定能實現(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，進口率高達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，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。