受動(dòng)力電池技術(shù)水平所限，新能源汽車?yán)m(xù)航里程不高、壽命不長(zhǎng)(充放電次數(shù)低)、衰減率較高，阻礙新能源汽車大規(guī)模應(yīng)用。近日，韓國(guó)、日本相繼宣布在動(dòng)力電池材料技術(shù)上有突破，未來(lái)動(dòng)力電池成本將下降。

在國(guó)軒高科第五屆科技創(chuàng)新大會(huì)暨第四屆動(dòng)力能源高峰論壇上，北京理工大學(xué)吳鋒教授和與會(huì)嘉賓分享了“動(dòng)力電池與相關(guān)材料研究進(jìn)展”。

“國(guó)家的重大需求促進(jìn)了動(dòng)力電池新的飛躍發(fā)展，在保證安全性的前提下，高能量、高功率、長(zhǎng)壽命、低成本、無(wú)污染的新型動(dòng)力電池正在根據(jù)不同的用戶需求，形成產(chǎn)業(yè)，走向市場(chǎng)?！眳卿h表示，“鎳氫電池、鋰離子電池、高比能新體系電池和超級(jí)電容器之間的技術(shù)融合十分重要，這種技術(shù)融合的本身也是技術(shù)創(chuàng)新，它將和互聯(lián)網(wǎng)一起，為我國(guó)新型二次電池的發(fā)展，掀開新的篇章!”

吳鋒表示，動(dòng)力電池發(fā)展中面臨以下問(wèn)題：能否構(gòu)建出新一代高比能電池?能否解決電池的安全可靠性問(wèn)題?能否實(shí)現(xiàn)電池的長(zhǎng)壽命?能否提高電池的性價(jià)比?

吳鋒介紹，2015年動(dòng)力鋰離子電池能量密度指標(biāo)為電芯120-180Wh/kg，材料體系主要是磷酸鐵鋰-石墨、三元-石墨。2020年新一代動(dòng)力鋰離子電池能量密度指標(biāo)是：富鋰(250mAh/g)-硅碳負(fù)極：電芯300Wh/kg。

動(dòng)力鋰離子電池能量密度的提高，除與正負(fù)極材料相關(guān)外，對(duì)所采用電解液的要求也越來(lái)越高。吳鋒表示，采用NCM三元正極材料和Si/C負(fù)極材料，可制備出能量密度319Wh/kg的高比能鋰離子電池。

關(guān)于300Wh/kg動(dòng)力電池材料體系研究進(jìn)展，吳鋒表示，研究了二價(jià)鎳含量對(duì)高鎳三元正極材料NCM811中鋰鎳混排現(xiàn)象的影響，發(fā)現(xiàn)增加鋰的化學(xué)計(jì)量比，可以增加材料中二價(jià)鎳的含量，從而降低材料中的鋰鎳混排，改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性能。另外，制備了010晶面優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)的高鎳三元正極材料(LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2)，電化學(xué)測(cè)量表明該材料具有良高的倍率性能。并設(shè)計(jì)并研制出電化學(xué)活性面優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)的球狀分級(jí)結(jié)構(gòu)，顯著改善鋰離子電池用富鋰錳基材料的倍率循環(huán)特性倍率性能。

在負(fù)極材料研究方面，通過(guò)“直接涂膜法”合成無(wú)需粘結(jié)劑的SiO/CNx復(fù)合材料電極。含氮碳網(wǎng)可以緩沖其在循環(huán)過(guò)程中的體積變化，在SiO表面形成較好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為電子傳輸提供穩(wěn)定通道。并且采用高能球磨法合成了Si/Ni/石墨復(fù)合材料，金屬Ni和石墨相互交錯(cuò)形成了良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，納米晶體Si被原位的嵌在SiOx矩陣中，提高了SiOx的電化學(xué)活性。

對(duì)于功能電解液的研究，設(shè)計(jì)并研制出一種含硅酸鋰的新型泥漿電解液，顯著改善高電壓鋰離子電池正極材料安全、循環(huán)穩(wěn)定等特性。另外還開發(fā)出安全性功能電解質(zhì)和添加劑：將咪唑啉酮類、哌啶環(huán)類離子液體、阻燃型磷酸酯添加劑分別與成膜添加劑亞硫酸丁烯酯復(fù)合，開發(fā)出一系列具有阻燃性和電化學(xué)兼容性的功能電解質(zhì)體系，顯著提高了鋰離子電池的安全可靠性和溫度適應(yīng)性(將使用溫度范圍從-20℃至+60℃拓寬到-40℃至+80℃)。并且研制出具有寬電化學(xué)窗口、高熱穩(wěn)定性和室溫離子電導(dǎo)率達(dá)到10-3S/cm量級(jí)的“介孔SiO2+離子液體”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固態(tài)化電解質(zhì)，為解決新型高比能電池安全性問(wèn)題提供了材料支持。

除了電池材料的研究，吳鋒還介紹了電池回收技術(shù)的研究進(jìn)展。他表示，目前二次電池已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域，電池產(chǎn)量急劇上升，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了巨大的環(huán)境和資源壓力，依據(jù)我國(guó)新能源汽車銷量預(yù)測(cè)，2020年僅動(dòng)力電池的需求就將達(dá)到300億瓦時(shí)，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響將日趨嚴(yán)重，鋰資源也將日漸匱乏。采用環(huán)境友好的天然有機(jī)酸回收新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了廢舊鋰離子電池的綠色高效回收(鋰和鈷浸取率分別為98%和94%)，優(yōu)于國(guó)外使用強(qiáng)酸的工藝技術(shù)，避免了強(qiáng)酸回收處理中的二次污染。

動(dòng)力電池新材料研發(fā)進(jìn)展

我們非常希望在材料方面也做到正向，對(duì)我們來(lái)說(shuō)是比較難的。從企業(yè)來(lái)說(shuō)首先是安全性，可靠性，還有成本技術(shù)指標(biāo)提出了系列的要求，這里面底線的指標(biāo)和長(zhǎng)期發(fā)展的指標(biāo)都是非常高的。政府和國(guó)家對(duì)動(dòng)力電池提出了非常高的能量密度的要求。像新能源汽車今年發(fā)布的項(xiàng)目，對(duì)于基礎(chǔ)研究的項(xiàng)目，希望鋰離子電池能量密度做到400Wh/kg，新體系電池樣品能量密度做到500Wh/kg。對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)300Wh/kg也是不容易的，要開發(fā)很多新的體系?！吨袊?guó)制造2025》要求做到400wh/kg以上，提出的一些方案里面關(guān)鍵詞主要是電池這兩個(gè)差距還是比較大的。

從產(chǎn)品指標(biāo)的角度考慮這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)賹?duì)比一下各個(gè)國(guó)家政府的相關(guān)要求。剛剛提到了《中國(guó)制造2025》，底下是日本的往上累的是中國(guó)和美國(guó)的競(jìng)賽，今年啟動(dòng)了3個(gè)專項(xiàng)都涉及到動(dòng)力電池。

大家都希望將來(lái)是400wh/kg，為什么做這個(gè)指標(biāo)?多出自鋰離子電池安全性考慮。以北汽新能源EV200舉例，其百公里能耗為14kwh，壽命要求是10年20萬(wàn)公里，而成本上現(xiàn)在已經(jīng)降低了許多。動(dòng)力電池今后的發(fā)展，達(dá)到同樣續(xù)航里程的成本比目前高不少，所以說(shuō)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池不發(fā)展到高能量，將來(lái)在純電動(dòng)汽車上會(huì)面臨更激烈的競(jìng)爭(zhēng)，甚至被燃料電池碾壓的情況。

從實(shí)際的發(fā)展角度看，整個(gè)的發(fā)展是很慢的而且是比較穩(wěn)健的，主要是技術(shù)和材料的升級(jí)換代，即便是按照路線去看的話，如果我們還能跟上現(xiàn)在發(fā)展的速度你到2020年就是做到300，2030年就是390瓦時(shí)每公斤，這個(gè)路線圖怎么一點(diǎn)一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，第二個(gè)到底能不能實(shí)現(xiàn)400瓦時(shí)每公斤甚至更高的?

液態(tài)電解質(zhì)鋰電池電池已經(jīng)發(fā)展了三代，去年有一個(gè)詳細(xì)的介紹，主要的就是在正極材料方面每一個(gè)都在升級(jí)換代，提高了電壓或者是容量;負(fù)極方面主要的變化，能量學(xué)的電池里面，把納米硅碳引入在電解液里面加入一些技術(shù)，包括陶瓷涂布的隔膜等等?，F(xiàn)在看的鋰電池電池到底能做多高呢?低能量的密度確實(shí)非常好，就是犧牲了循環(huán)性更不用提安全性，實(shí)現(xiàn)了高能量，但是不是說(shuō)循環(huán)性不能提高，還需要一些細(xì)致基礎(chǔ)的研究，這是法國(guó)的調(diào)查公司他看到的對(duì)材料的一個(gè)看法越來(lái)越多，現(xiàn)在很多團(tuán)隊(duì)和同仁都比較熟悉我就不細(xì)說(shuō)了。

但是對(duì)于電池材料來(lái)說(shuō)，有很多的問(wèn)題和性能的要求，同時(shí)采取了至少有13種以上的技術(shù)來(lái)綜合地解決這方面的技術(shù)，每一根線都有很多細(xì)節(jié)的技術(shù)和內(nèi)容，你更換一個(gè)材料的時(shí)候，整個(gè)電池會(huì)很復(fù)雜地變化，研發(fā)這個(gè)電池材料特別慢，一般的需要十幾年以上，現(xiàn)在的很多團(tuán)隊(duì)和公司已經(jīng)在開發(fā)300瓦時(shí)每公斤的鋰電池了?，F(xiàn)在在這個(gè)方面最難的一個(gè)問(wèn)題就是高的負(fù)極容量帶來(lái)高的體積膨脹，那你在電芯層面上非常難涉及，核心的問(wèn)題就是怎么解決在充電之后的體積膨脹能夠滿足現(xiàn)在的電芯企業(yè)的要求，另外就是說(shuō)這些高能量密度的實(shí)現(xiàn)是可以的，但是他的綜合接入指標(biāo)能不能滿足應(yīng)用要求?是什么樣的上限這個(gè)不太清楚，這個(gè)里面有一些解決的方案，時(shí)間關(guān)系就不詳細(xì)討論了，歡迎大家有機(jī)會(huì)我們交流這方面的技術(shù)。

另外政府上要做400wh/kg和500wh/kg，這個(gè)經(jīng)過(guò)計(jì)算有一個(gè)模型，把現(xiàn)在石墨的負(fù)極，硅負(fù)極金屬鋰也放這里，如果做到800瓦以上還有機(jī)會(huì)，400wh/kg，500wh/kg還有一些解決方案，但是實(shí)現(xiàn)是非常難的，NC最高做到200，負(fù)鋰做到300，不同的負(fù)極材料這個(gè)是系統(tǒng)的計(jì)算，從計(jì)算上看似乎還是說(shuō)有一些正負(fù)極材料的匹配實(shí)現(xiàn)高的密度，前面都是虛的計(jì)算，科學(xué)院在這方面的工作?？茖W(xué)院為了加強(qiáng)研發(fā)成果能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，解決實(shí)用問(wèn)題，啟動(dòng)了戰(zhàn)略先導(dǎo)A類項(xiàng)目，其中有一個(gè)納米項(xiàng)目，就是把過(guò)去20多年了科學(xué)院研究的納米技術(shù)爭(zhēng)取集中支持一下，希望對(duì)產(chǎn)業(yè)有一個(gè)幫助，在這些項(xiàng)目里面其中第一個(gè)就是動(dòng)力電池，納米材料和納米技術(shù)很可能會(huì)用上。

對(duì)這類項(xiàng)目的要求，原來(lái)負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目的陰和俊副部長(zhǎng)提出，我們做的事情目標(biāo)清楚、要能用上、可考核，經(jīng)過(guò)第三方考核的，材料用的上，技術(shù)用的上，最后用上水平怎么樣，有沒有影響，影響能力多大有很多的指標(biāo)考核，所以這樣的項(xiàng)目就非常難了。他提出了具體的指標(biāo)，國(guó)家已經(jīng)提出來(lái)了2020年要做到300瓦時(shí)每公斤，到2015年要實(shí)現(xiàn)150瓦時(shí)每公斤，相關(guān)的電池材料正極電解質(zhì)隔膜等等也需要開始產(chǎn)業(yè)化。為了完成這個(gè)項(xiàng)目設(shè)了幾個(gè)主要的內(nèi)容，一個(gè)是60%的經(jīng)費(fèi)到70%的經(jīng)費(fèi)用到了鋰電池方面，開發(fā)高能量的正極、負(fù)極，高電壓的電解液，高安全的隔膜，集成在動(dòng)力電池上面，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮我們需要布局固態(tài)電池，空氣電池在這方面也安排了。另外就是今天早上的陳老師提到了檢測(cè)水平，國(guó)內(nèi)的檢測(cè)水平還是有的，但是建了兩個(gè)平臺(tái)，我簡(jiǎn)單匯報(bào)一下結(jié)果。有12家單位，大概有300人的研發(fā)隊(duì)伍，涉及各個(gè)方面。一個(gè)是硅負(fù)極，之后一直在做這方面的科學(xué)技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)19年，相當(dāng)難的事情。最近是在從應(yīng)用的角度一直在開發(fā)這個(gè)事情，主要的技術(shù)路線包括兩類，一個(gè)是SiOx/C，一個(gè)是Nano-Si，主要是從綜合的技術(shù)指標(biāo)不斷的迭代，2013年得到支持以后，可以做到批次500公斤的水平，大概是綜合的設(shè)計(jì)考慮，我在這里展示的是我們思想不是真實(shí)的事情。導(dǎo)入添加劑等等還是非常難的，納米歸談里面的難點(diǎn)是怎么樣得到100塊錢每公斤的納米硅.

第二個(gè)如何把納米硅在顆粒當(dāng)中均勻的分散?

現(xiàn)在做到的是這樣的材料，大概是把納米硅分散在顆粒當(dāng)中，能夠進(jìn)入到批量的生產(chǎn)，在450毫安每時(shí)材料當(dāng)中，一般循環(huán)500次左右是高容量的負(fù)載，但是前面開發(fā)的氧化亞硅都在開發(fā)，但是效率低，納米硅碳的容量高都不是滿意的解決方案，所以我們正在開發(fā)新一代的富硅氧化物材料，減少帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

這個(gè)新材料公司目前在國(guó)內(nèi)還在第三或者是第二位的，這里面就解決了一系列的技術(shù)問(wèn)題，我就不詳細(xì)說(shuō)了，負(fù)極材料有進(jìn)展，正極材料我們積累的比較少。在這個(gè)項(xiàng)目支持之后，主要針對(duì)高容量的等級(jí)，這個(gè)材料難的地方就是電壓衰減，這個(gè)工作當(dāng)中主要是通過(guò)表面結(jié)構(gòu)重新的重構(gòu)，解決了電壓衰減的問(wèn)題，因此就可以開始試用，今年是在500公斤的量級(jí)。

另外一個(gè)材料就是高電壓的尖晶石，比較容易切換過(guò)來(lái)，最難的是用了這個(gè)材料以后電解液等等需要全面的升級(jí)，所以這個(gè)方面還是需要提升，特別是高溫55度的問(wèn)題。為了解決高電壓富鋰材料，這個(gè)在國(guó)內(nèi)上是非常重要的也是也很有挑戰(zhàn)，現(xiàn)在可以在高電壓當(dāng)中相對(duì)來(lái)說(shuō)穩(wěn)定的循環(huán)，在電解液方面還有添加劑。隔膜我們感覺直接用還是有點(diǎn)問(wèn)題，所以說(shuō)開發(fā)陶瓷隔膜，同時(shí)用纖維素的基材，耐高溫，但是這個(gè)好象還不能最終用在我們的電池上，主要就是一致穩(wěn)定性，現(xiàn)在是小試到中試的階段，但是展示的前景是有一些希望，纖維素隔膜加上陶瓷顆粒，其實(shí)我們還開發(fā)了離子導(dǎo)電涂層隔膜。

石墨烯都開發(fā)了很長(zhǎng)時(shí)間了，以及涂層的技術(shù)，都能做到幾十噸量產(chǎn)的水平，用剛剛的材料做了初步的電池，這個(gè)電池可以做到375瓦時(shí)每公斤，但是循環(huán)性不行，容量低循環(huán)好，主要是在高體積膨脹下怎么解決一系列輔助材料的問(wèn)題。

最后我介紹一下固態(tài)金屬鋰，理論計(jì)算上考慮，鋰電池的提升，還有一個(gè)可能還用鋰電池的電池，金屬鋰電池，還有空氣電池，包括了氧、水、二氧化碳等不同的電池的體系，在剛剛的計(jì)算結(jié)果當(dāng)中可以看到綠色的金屬鋰比較高，硅負(fù)極比較厲害，如果2000毫安的硅，膨脹在200以上這個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)，鋰的膨脹更容易解決一些，如果沖擊更高能量的電，還能用后電池的想法，但是這個(gè)力學(xué)等等還有一些挑戰(zhàn)。

金屬鋰電池已經(jīng)研發(fā)了50多年，特別是80-90年代有很嚴(yán)重的問(wèn)題，目前沒有證據(jù)表明金屬鋰電池是安全的。用金屬鋰電池改變的問(wèn)題，主要是非均勻的沉積和析出跟石墨和硅不一樣，第二個(gè)是SEI膜不穩(wěn)定，所以很多人還是希望用固態(tài)解決這個(gè)問(wèn)題。固態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是說(shuō)可能在理論上解決，所以有很多的安全性和好處，以及循環(huán)系數(shù)的好處，另外還可以做內(nèi)串，比如說(shuō)聚合物類的，以及添加一些液體的電解液，在國(guó)際上有很多的公司投入很多，但是從實(shí)際的角度考慮，能量密度高的電池目前沒有做出來(lái)，這里面關(guān)鍵的問(wèn)題是正極這一塊的電阻怎么解決的問(wèn)題。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度，固態(tài)電池區(qū)別的就是固態(tài)電解質(zhì)，可能會(huì)用到金屬鋰電池，鋰電池也是很強(qiáng)大，這個(gè)實(shí)際上就是在產(chǎn)業(yè)的發(fā)展當(dāng)中，一旦電芯技術(shù)關(guān)鍵材料可以突破，就可以迅速進(jìn)入到市場(chǎng)當(dāng)中去，所以我們提出了一些路線圖，也許最快在2019年拿出電池包來(lái)，2020年有可能試水到商業(yè)化的程度，有一些全固態(tài)的還比較慢，真正的全固態(tài)可能要更長(zhǎng)的時(shí)間，稍微含有一點(diǎn)液體的電池會(huì)比較快，因?yàn)榧骖櫫四芰棵芏群桶踩浴?br/>
韓國(guó)：動(dòng)力電池容量提高45%

該研究組通過(guò)開發(fā)替代現(xiàn)有電池使用石墨電極的“石墨—硅復(fù)合材料”，從而成功增加了電池容量。新電極是在石墨分子之間注入20納米(10億分之一米)大小的硅粒子制作而成的。除提高續(xù)航里程外，新技術(shù)大大縮短了充放電時(shí)間，電池充放電速度也比現(xiàn)有的電池快30%以上。

業(yè)界預(yù)計(jì)，這類新電池的批量生產(chǎn)較容易，未來(lái)將具有較強(qiáng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

這種新型材料生產(chǎn)的鋰電池的另一優(yōu)勢(shì)是電池壽命更長(zhǎng)、衰減率更低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種新型材料生產(chǎn)的鋰電池充放電100次，但電池容量的衰減不超過(guò)20%。松下電器計(jì)劃改良這種新材料，希望將電池充放電次數(shù)提高到500次至1000次，然后進(jìn)行商品化生產(chǎn)。