李泓:固态锂电池将成动力电池核心技术
栏目:行业新闻 发布时间:2016-01-15
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1月24日,第二届中国电动汽车百人会论坛在北京钓鱼台国宾馆召开。本届论坛围绕“构建竞争·创新·可持续的产业生态”为主题,近百位来自政府机构、行业学者以及科技、互联网、汽车、交通等领域的嘉宾参会。

以下为中科院物理研究所李泓研究员的发言:

我今天的主题是“固态锂电池”,在我这个报告里也许能回答一部分董扬老师的问题。

大家比较关注的就是从长远考虑,什么是纯电动汽车的核心技术,如何实现革命突破。我们看了《中国制造2025》上面关于纯电动、混合动力汽车电池的技术路线,基本上报告中展示的这个路线图与这个是一致的。从长远考虑,从中国、美国、日本发布的技术路线来考虑的话,下一代动力电池首先是做第三代锂离子电池,接下来就是固体金属锂电池、锂硫电池、锂空电池等。

提高电池的能量密度意义是很清楚的,以北汽EV200的百公里14千瓦时为依据,可以看到,如果单体能量密度做到300Wh/kg,一次充电续驶里程可以达到470公里,基本上完全解决了消费者里程焦虑的问题,目前量产的动力电池能量密度为180 Wh/kg的水平。

我们中科院2013年11月15日启动了一个战略先导项目,希望在动力电池前期技术发展和导入方面先走一步,做一些基础的工作。最近中科院宁波材料所夏永高团队联合物理所团队以及其他团队合作研制了一款电池,就是用纳米硅碳负极、富锂正极的24Ah的单体,质量能量密度达到374Wh/kg, 体积能量密度达到577Wh/L。从体积能量密度可以看到,目前体积能量密度与质量能量密度之比和现在的成熟动力电池产品还有差距。 现在我们想通过进一步的努力,探究锂离子电池能量密度的极限在哪儿,相信今年的努力还可以把这个数据再提高一点,目前发挥还不是很理想。

从长远考虑,高容量硅负极材料体积膨胀还是很难解决的问题,金属锂在这方面显示了它的优势。金属锂现在主要面临一个问题,在充放电过程中容易产生锂枝晶。此外,金属锂的使用,可以考虑不含锂的正极,从总体成本下降上是很好的机会。 现在金属锂电池主要包括采用可充放锂离子电池正极材料的金属锂离子电池、锂硫和锂空电池。锂空气电池是开放体系,开放体系如果用液体电解质,电解质会挥发干净,没法长期使用。从这些方面考虑,都应该采取固态电池的技术,所以陈立泉老师提出来说,我们现在应该提前布局固态锂电池。去年在物理所开了第一届固态锂电池的会议。在国际上有几个公司已经展示了固体电池的好处,例如法国的聚合物锂电池在意外着火的情况下电池包还是完好无损。从长远考虑,无机物作为电解质的电池更安全,这也可能是根本性的固态电池的解决方案。

从科学问题来讲,这里面有很多方面需要研究。包括正极、固体电解质、金属锂负极,最难的地方在界面问题,包括锂离子电池正极材料界面的设计。加快固态电池的研发关键就是把固体电解质材料做出来,为了加快这个材料的研发,借鉴美国材料基因组的思想,陈老师提出要采用材料基因组的方法,加快固态电池的研发速度,争取尽快实现固态电池产业化。 咱们国家在固态电池研究方面开展时间很长了,有了一些积累。

我在这里介绍几个年轻人的工作。青岛能源所的崔光磊研究员最近做了一个240Wh的固态电池,是60℃工作的8Ah的单体,有一定的循环性。宁波材料所的许晓雄研究员是用无机陶瓷加上界面润湿剂的办法,8Ah的固态锂离子电池单体展示了较好的循环性,能量密度达到240Wh/kg。目前还没有办法完全做到全部固态,今后争取做到全固态。主要的好处可以看到,用了固态电解质以后,在90℃还能够进行循环,显然这是在电池安全性方面的一个进展。

从能量密度上讲,理论能量密度最高的两个体系是锂硫和锂空,这两类电池很可能在质量能量密度上超过500Wh/kg。考虑使用的稳定性,终极的考虑还是发展固态的锂硫、锂空电池。我们认为,固态锂空电池可能是电化学储能的终极选择,这还需要很长的路要走。

在这里我介绍一下科学院先导项目的进展。有5个团队研制锂硫电池。目前中国科学院大连化物所陈剑团队研制的37Ah的锂硫电池单体室温能量密度达到566Wh/kg, 50℃测试到616Wh/kg, 并通过了第三方的安全性测试。现在锂硫电池的问题就是循环次数还很低,这种高能量密度、大容量的锂硫电池的单体循环次数是20—30次之间。下一步要解决金属锂的问题,提升循环性,要满足500—1000次的循环要求。锂空气电池方面,中科院长春应化所张新波团队也推出了锂空的单体电池,目前5Ah单体做到了526Wh/kg,也研究出了一块51Ah的锂空气电池模块,能量密度为360 Wh/kg。

最近这一年,先导的进展主要是这四个高能量密度电池方面,这里面涉及到大量的材料研究的基础贡献,包括纳米的正极材料、负极材料、界面处理技术,还有高电压电解液和陶瓷隔膜,以及后续固体电解质涂层隔膜的综合应用。此外,像刚才董杨老师提到的高水平的电池诊断平台,我们科学院已经建立了全球第二个互联互通惰性气氛材料综合分析测试平台,另外黄学杰老师也在广东南沙启动了先进的动力电池制造装备的平台。

最后,我简单的说一下,我们认为从动力电池长远发展考虑,首先是第三代锂离子电池,之后是固态金属锂电池,终极目标可能是固态锂空气电池,这个是陈立泉老师的观点。

谢谢大家!

(以上观点信息,已经李泓研究员确认)