钜大LARGE | 点击量：1250次 | 2018年08月04日
原材料涨价背景下 新型绿色二次电池的研发新进展
北京理工大学教授吴锋在演讲中，就动力电池关键材料研究的一些新进展同与会嘉宾进行了深入详尽的探讨。
以下为吴锋教授演讲内容：
各位好！我跟大家汇报的是“动力电池关键材料研究进展”。
现在中国新能源汽车2011年到2016年从产量和保有量都提升了100倍，发展也是向低碳化、动力电动化、轻量化、制造信息化、整车智能化和交通网联化方向发展，特别是互联网行业已经全方位进入新能源汽车，会对我们今后的发展起到一些意想不到的作用。这里还有一个问题，我们讲能源低碳化，我们国家现在弃风弃水弃光严重，2016年达到130亿度，用浪费的130亿度可以供8千万辆电动轿车使用，最近又150亿度，就是1亿量了。
现在在国家规划里对动力电池的能量密度提的指标都很高，有300Wh/kg的、有350Wh/kg的，刚才杨裕生院士也讲了，对能量密度我们还可以再斟酌。我也参加了一些企业牵头的项目，是这么一个指标，一个是300Wh/kg，续航寿命还有成本。我们如何来实现这些指标？而且如何兼顾安全可靠性、循环性能、倍率性能、温度适应性能，主要是能量密度，还要兼顾其他性能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
我今天主要是讲能量密度，要求现在长续驶里程的电动汽车需要高比能，追求高比能同时又容易引发安全性事故，所以要提高安全性。就锂离子电池而言，提高电池能量密度材料要先行一步，所以我们在研究新型异质结构的高比能量、高倍率富锂锰基无钴氧化物正极材料，通过这种材料在纳米尖晶石包覆后获得的性能改善，这种材料不含钴，降低成本有很大空间。通过离子交换法构建表面的尖晶石通道，另外也通过这种材料的改性，通过它的协同作用来改善它的低温性能。
在负极用有机硅生产出来的工业肥料为原料，来生产高性能的有机硅，达到700多的容量。结合柔性化技术和长寿命，通过导电的聚合物包覆和柔性组装来达到这个目标。我们通过用改性的811和高电压的电解质和具有新型导电网络的硅碳负极材料，我们制作出锂离子电池，并通过第三方检测。
新体系的性能指标，二次电池，这个红的是现有的需求量，绿的是预估的，到2045年的需求量，它必然是一个爆发式的增长。刚才两位院士都讲了，原材料的涨价，碳酸锂去年一年涨了4倍，钴酸锂今年一个月涨了1倍，如何来应对？因为锂离子电池的原材料涨价，我们又要它便宜，怎么办？我们973项目从2002年开始就开发新的，提出用轻元素、多电子、多离子反应实现电池能量密度跨越式的提升，打破单电子反应n=1的思维定式。这里边一个多电子反应。一个锂硫电池，它的能量密度是2600，高过TNT炸药1700，但是全国的石油化工每年的硫黄副产物有1千万吨，如果能够把它作为原材料，有很大的降低成本的空间，都很难做，也在做。
锂硫电池有一些难点，比如导电性差、活性物质的流失，高比容的电解材料和电解质的适配难度大。我们通过三维导电网络的设计、纳米孔和包覆等等表面修饰进行改进。研究了相关锂硫电池的关键材料，比如说通过将氮和硫掺杂的珊湖状的介孔炭用于改性，也是提高了倍率性能。引入特殊保护作用自组织的结构，也能够提高它的稳定性。基于氧化锌纳米片的导电插层，也可以提高它的循环性能。这就是我们2016年以来做的一些工作，还有基于聚多巴胺的高粘性，将导电碳和纳米硫在纳米尺度进行粘合，从电解液也可以看出这种结构来。
将分散的导电碳组装为椭球形的微米的超结构，这种材料能够提高它的单位面积的载硫量，通过载硫量的提高，我们也做到了能量密度达到460瓦时/公斤的锂硫电池，当然是0.1C的放电，不是小电流，通常大家采用的放电制度。
多电子反应就是铝二次电池，资源很丰富，难题是铝的表面钝化和铝离子嵌入反应困难，我们通过界面重构设计具有大隧道正极材料，实现电子嵌入反应，构筑这个体系。这里关键的是我们采用了一种无黏合剂的正极，使得能够避免电解液的腐蚀，在国际上也报道了它的机理。
刚才讲的高比能下面有一个安全性，我们觉得首先是安全性材料，包括温度敏感电极、陶瓷高强隔膜、电解质，这三者的协同配合可以显著提高电池的安全性。现在我们也来发明了一些高电压的不燃电解液，可以1300度不燃。
还有系统，我在973第三期提了一个系统的安全阈值边界的概念，哈尔滨理工大学的李教授，他按照我这个概念通过建立安全状态的数学模型，将安全阈值边界演化出来一个量化的安全度，并显示在汽车仪表盘上，对于车推广会有好处。
刚才郑绵平院士讲了回收，这个回收意义他也讲的很清楚了，回收牵扯到环境也牵扯到电池的成本，因为钴，现在我们国家进口钴已经有69%电池用钴，占了很大的比例。我们原来用天然有机酸来浸取正极，锂和钴都比较高。最近天然的琥珀酸，浸取率由原来的94%提高到99%，我们浸取出来的电池材料也达到了要求，这是一种内循环，从废弃的正极极片到制备出合格的正极用于原材料。负极我们也做了一些工作，负极是一个外循环，因为这个碳，大家如果再用到电池上可能觉得不划算，但是我们国家比如像电池，原来因为从日本引进的三聚磷酸纳被磷污染，用这个把这个碳制备成碳吸附剂，用在这个上面，国家每年需要560万吨左右，用于高磷的污水处理。再把它作为磷肥一个缓释肥放到田间，把这个做一个外循环，这个也是挺有意思的事。
我们这个团队由我们理工大学物理所、武汉大学、清华大学多家单位组成，我们这个团队已经在一起从2002年到现在已经15年之多了，大家一直团结的非常好。
我最后讲两句，我们新型绿色二次电池的发展，起源于二次电池固体电解质材料和镍氢电池储氢材料的研究，依赖于关键材料技术的创新和进步。创新不是炒作，不能急功近利，否则就会昙花一现，产业取决于市场，不能揠苗助长，否则就会是过眼云烟。
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