動力電池產業發展概況 未來技術路線及其目標分析

      1月16日,2018首屆中國(成都)新能源汽車高峰論壇在成都盛大開幕，現場超過900人次參加本次峰會。中國工程院院士,北京理工大學教授吳鋒在大會上做“動力電池產業發展現狀及未來技術路線”重要演講。

      高性能二次電池是當前國際研究熱點，作為一種高效、可循環使用的能量轉換與存儲方式，它已經成為未來一系列高技術發展中的重大需求，成為可綜合緩解能源、資源和環境問題的重要技術途徑，成為電動車輛、規模蓄電池的重大應用的關鍵環節。電動汽車只有和削峰填谷、風光電存儲、智能電網等結合起來才是綠色的，要不然特斯拉就不可能在新加坡被罰。
      動力電池產業發展概況及其目標分析
      我國近五年來新能源汽車發展迅速，從產量和保有量都提高了100倍。從區域來看，目前新能源汽車產業主要集聚在長三角、珠三角、京津地區和中原地區，沒想到成都現在發展也這么猛，而且已經初步形成了產業鏈。
      據統計，2015年車用動力電池裝車量達到163億瓦時，2016年達到281億瓦時，2017年預計350億瓦時，2020年需求在1000億瓦時。但是，2017年電池行業的年產能規模預計達到2000億，超過200家電池企業有產能，產能明顯過剩，但高端產能嚴重不足。
      （1）動力電池的目標分析
      動力電池的指標，主要包括安全性、壽命、續航里程、成本和環境適應性?！笆濉钡哪繕耍瑖矣幸粋€重大的單體專項，提出來單體鋰離子電池能量密度、循環壽命、成本都有指標，但是如何實現這些目標，而且要兼顧安全性、循環性和倍率等要素。現在特斯拉的續航里程比較長，續航里程一個是提高電池的比能量，還有是多裝電池，一般是傾向前者，追求電池的高比能又如何避免電池爆炸？
      我國鋰離子電池技術目標分為近期、中期、遠期的三個方面，前期動力電池比能量300Wh/Kg，中期實現400Wh/Kg，遠期實現500Wh/Kg。如果要實現每公斤300Wh/Kg，正極容量需達到200mAh/g，負極容量需達到500mAh/g。作為新一代的鋰離子電池，如果正極大于400mAh/g，再加上固態電解質、陶瓷隔膜等材料，也有可能實現500Wh/Kg，新一代鋰離子電池也有可能成為我們遠期的目標之一。
      （2）新一代鋰離子電池成為企業近遠期的目標之一
      團隊做了一個高倍率富鋰錳基無鈷的項目，還通過離子交換法構建表面尖晶石3D通道，同時包覆氧化鐵納米顆粒，綜合改善倍率性能和循環。
      北京大學夏定國教授的高比能動力電池的關鍵技術和相關技術科學問題研究，他的目標是400Wh/Kg，循環壽命大于300次的新型鋰離子電池。
      南京大學朱華生教授曾表示，南京大學用拉曼原位看到氧從1價到2價的可逆反應，即包含了2電子反應?，F在的鋰離子的反應已經不是單純的1電子反應，它已包含了2電子反應?，F在可實現富鋰錳基正極400mAh/g的比容量，還可以提高。以有機為工業生產過程中產生的工業廢料為多孔硅原料，以明膠為碳源，制備出容量高的電池。正極負極，我們在電解液方面也需要做一些突破，也需要一定的絡合型添加劑。
      高能電池面臨挑戰與技術路線研究
      現在高能電池面臨高比能挑戰，其中發展最迅速的鋰離子電池面臨資源缺乏的威脅，碳酸鋰的價格就漲得很猛。吳鋒教授表示，在2002年開始主持國家973鋰離子研究項目中，提出了輕元素多電子多離子反應，項目組認為要提高能量密度就必須打破單點的反應，通過多變量效應來實現。
      （1）鋰硫電池研究
      針對導電性差、高比容電極與電解質適配難度大、影響電極穩定性三個難點，通過對不同電解質的多元優化和對符合硫電極的表面修復。并且基于氧化鋅納米片的導電插層基于聚多巴胺的高粘性將導電和納米硫在納米尺度進行粘合，這樣正極可以避免循環過程中體積變化引起的導電碳脫離活性物質。還利用費歇爾酯化的模塊組裝方法，將分散的導電碳組裝為橢球形的微米超結構。北京理工大學等團隊現在制備出了能量密度達到460Wh/Kg的鋰硫電池，但不能用在車上，可以用在無人機上。
      （2）鋁離子電池研究
      團隊在多電子反應鋁二次電池方面進行了研究，針對鋁的表面鈍化和鋁離子嵌入反應困難等問題，通過金屬鋁電解質相界面重構，設計具有開放結構的大隧道正極材料，實現了鋁離子的三電子嵌入反應，構筑了鋁二次電解質系統。在多孔鎳集流體上原位生長出無粘合劑新型金屬氧化物電極，病災離子液體電解液的多陰離子協同作用下進行脫嵌反應。同時，團隊很看好固體電解質材料，研制了新一代固體電解質材料，并且跟廈門大學共同研發高功率儲能器件，能量密度接近鋰離子電池。
      （3）電池安全材料與安全系統研究
      在電池安全材料與安全系統方面，通過對溫度敏感電極，陶瓷高強隔膜、安全電解質的協同配合來提高電池安全性。如研制出電化學窗口寬高達4.8V的電解液，以及凝膠固態電解質，可以在高溫中使用。
      另一方面，安全問題還取決于電池系統，吳鋒教授提出了電池系統安全閾值邊界的概念，并且開發出安全性識別與控制技術，通過建立安全狀態數學模型，將量化的安全度實時顯示在電動汽車儀表盤上，給司機提供一個可視化的主動安全預警。
      （4）動力電池回收與資源化利用
      廢舊鋰離子電池電極材料的回收與資源化利用，受到越來越多人關注，因為廢舊電池對環境的壓力和資源的壓力都越來越重要。我們采用將天然有機酸，比如蘋果酸、抗環雪酸等進行利用。近年來由研發出天然琥珀酸，綠色高效回收技術，由原來的94%提高到99%。
      小結：動力電池迅猛發展，目前有近200多家電池企業，呈現出產能過剩，但高端產能不足等特點。面臨著補貼退坡，各類政策更新較快，跨界融合局面打開，每一個行業都在整合、都在交叉、相互滲透。