鉅大LARGE | 點擊量：1221次 | 2018年11月28日
動力電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及未來技術(shù)路線
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(xiàn)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(xué)教授吳鋒在大會上做“動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來技術(shù)路線”重要演講。
高性能二次電池是當(dāng)前國際研究熱點，作為一種高效、可循環(huán)使用的能量轉(zhuǎn)換與存儲方式，它已經(jīng)成為未來一系列高技術(shù)發(fā)展中的重大需求，成為可綜合緩解能源、資源和環(huán)境問題的重要技術(shù)途徑，成為電動車輛、規(guī)模蓄電池的重大應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電動汽車只有和削峰填谷、風(fēng)光電存儲、智能電網(wǎng)等結(jié)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(chǎn)業(yè)發(fā)展概況及其目標(biāo)分析
我國近五年來新能源汽車發(fā)展迅速，從產(chǎn)量和保有量都提高了100倍。從區(qū)域來看，目前新能源汽車產(chǎn)業(yè)主要集聚在長三角、珠三角、京津地區(qū)和中原地區(qū)，沒想到成都現(xiàn)在發(fā)展也這么猛，而且已經(jīng)初步形成了產(chǎn)業(yè)鏈。
據(jù)統(tǒng)計，2015年車用動力電池裝車量達(dá)到163億瓦時，2016年達(dá)到281億瓦時，2017年預(yù)計350億瓦時，2020年需求在1000億瓦時。但是，2017年電池行業(yè)的年產(chǎn)能規(guī)模預(yù)計達(dá)到2000億，超過200家電池企業(yè)有產(chǎn)能，產(chǎn)能明顯過剩，但高端產(chǎn)能嚴(yán)重不足。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
（1）動力電池的目標(biāo)分析
動力電池的指標(biāo)，主要包括安全性、壽命、續(xù)航里程、成本和環(huán)境適應(yīng)性。“十三五”的目標(biāo)，國家有一個重大的單體專項，提出來單體鋰離子電池能量密度、循環(huán)壽命、成本都有指標(biāo)，但是如何實現(xiàn)這些目標(biāo)，而且要兼顧安全性、循環(huán)性和倍率等要素?，F(xiàn)在特斯拉的續(xù)航里程比較長，續(xù)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(shù)目標(biāo)分為近期、中期、遠(yuǎn)期的三個方面，前期動力電池比能量300Wh/Kg，中期實現(xiàn)400Wh/Kg，遠(yuǎn)期實現(xiàn)500Wh/Kg。如果要實現(xiàn)每公斤300Wh/Kg，正極容量需達(dá)到200mAh/g，負(fù)極容量需達(dá)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(tài)電解質(zhì)、陶瓷隔膜等材料，也有可能實現(xiàn)500Wh/Kg，新一代鋰離子電池也有可能成為我們遠(yuǎn)期的目標(biāo)之一。
（2）新一代鋰離子電池成為企業(yè)近遠(yuǎn)期的目標(biāo)之一
團(tuán)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(gòu)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(huán)。
北京大學(xué)夏定國教授的高比能動力電池的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)技術(shù)科學(xué)問題研究，他的目標(biāo)是400Wh/Kg，循環(huán)壽命大于300次的新型鋰離子電池。
南京大學(xué)朱華生教授曾表示，南京大學(xué)用拉曼原位看到氧從1價到2價的可逆反應(yīng)，即包含了2電子反應(yīng)?，F(xiàn)在的鋰離子的反應(yīng)已經(jīng)不是單純的1電子反應(yīng)，它已包含了2電子反應(yīng)。現(xiàn)在可實現(xiàn)富鋰錳基正極400mAh/g的比容量，還可以提高。以有機(jī)為工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)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(fù)極，我們在電解液方面也需要做一些突破，也需要一定的絡(luò)合型添加劑。
高能電池面臨挑戰(zhàn)與技術(shù)路線研究
現(xiàn)在高能電池面臨高比能挑戰(zhàn)，其中發(fā)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(yīng)，項目組認(rèn)為要提高能量密度就必須打破單點的反應(yīng)，通過多變量效應(yīng)來實現(xiàn)。
（1）鋰硫電池研究
針對導(dǎo)電性差、高比容電極與電解質(zhì)適配難度大、影響電極穩(wěn)定性三個難點，通過對不同電解質(zhì)的多元優(yōu)化和對符合硫電極的表面修復(fù)。并且基于氧化鋅納米片的導(dǎo)電插層基于聚多巴胺的高粘性將導(dǎo)電和納米硫在納米尺度進(jìn)行粘合，這樣正極可以避免循環(huán)過程中體積變化引起的導(dǎo)電碳脫離活性物質(zhì)。還利用費歇爾酯化的模塊組裝方法，將分散的導(dǎo)電碳組裝為橢球形的微米超結(jié)構(gòu)。北京理工大學(xué)等團(tuán)隊現(xiàn)在制備出了能量密度達(dá)到460Wh/Kg的鋰硫電池，但不能用在車上，可以用在無人機(jī)上。
（2）鋁離子電池研究
團(tuán)隊在多電子反應(yīng)鋁二次電池方面進(jìn)行了研究，針對鋁的表面鈍化和鋁離子嵌入反應(yīng)困難等問題，通過金屬鋁電解質(zhì)相界面重構(gòu)，設(shè)計具有開放結(jié)構(gòu)的大隧道正極材料，實現(xiàn)了鋁離子的三電子嵌入反應(yīng)，構(gòu)筑了鋁二次電解質(zhì)系統(tǒng)。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(zāi)離子液體電解液的多陰離子協(xié)同作用下進(jìn)行脫嵌反應(yīng)。同時，團(tuán)隊很看好固體電解質(zhì)材料，研制了新一代固體電解質(zhì)材料，并且跟廈門大學(xué)共同研發(fā)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(tǒng)研究
在電池安全材料與安全系統(tǒng)方面，通過對溫度敏感電極，陶瓷高強(qiáng)隔膜、安全電解質(zhì)的協(xié)同配合來提高電池安全性。如研制出電化學(xué)窗口寬高達(dá)4.8V的電解液，以及凝膠固態(tài)電解質(zhì)，可以在高溫中使用。
另一方面，安全問題還取決于電池系統(tǒng)，吳鋒教授提出了電池系統(tǒng)安全閾值邊界的概念，并且開發(fā)出安全性識別與控制技術(shù)，通過建立安全狀態(tài)數(shù)學(xué)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(jī)提供一個可視化的主動安全預(yù)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(guān)注，因為廢舊電池對環(huán)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(jī)酸，比如蘋果酸、抗環(huán)雪酸等進(jìn)行利用。近年來由研發(fā)出天然琥珀酸，綠色高效回收技術(shù)，由原來的94%提高到99%。
小結(jié)：動力電池迅猛發(fā)展，目前有近200多家電池企業(yè)，呈現(xiàn)出產(chǎn)能過剩，但高端產(chǎn)能不足等特點。面臨著補(bǔ)貼退坡，各類政策更新較快，跨界融合局面打開，每一個行業(yè)都在整合、都在交叉、相互滲透。
