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中国科学院院士张锁江:材料革命将推动电池储能革命
2017-09-12 09:50:36  作者:  来源:新材料在线  
  •   动力电池系统面临着怎样的机遇和挑战呢?本报告主要分成三个部分:第一部分讲一下世界的大趋势,分析世界的形势和中国的政策;第二部分是分享一下我们自己做的工作;第三部分则是一些展望。
    关键字: 动力电池 储能

  8月26日,中国科学院院士张锁江在“2017动力电池新材料技术与发展高峰论坛”上作了题为《动力电池系统的机遇与挑战》的精彩报告。

  他指出,社会可持续发展战略对动力电池技术的突破提出了刚性需求,现今动力电池行业得到迅猛发展,中国在2016年超越日本成为全球动力电池第一大生产制造国。但目前动力电池性能亟需提升,提高电池能量密度是众多待突破技术中的核心。目前最有效的解决策略是在电极材料和电解液领域进行技术创新。

  化工是一个从系统的角度来研究和解决问题的学科。动力电池就是一个非常“大”而复杂的系统,从系统的宏观角度更容易发现和解决动力电池发展中遇到的瓶颈问题。张锁江院士就动力电池系统发展中所遇到的机遇和挑战从三个方面进行了论述。首先从全球社会发展趋势和中国自身的特点就动力电池发展的必要性进行了论述,他指出发展动力电池对实现产业升级和发展智慧型能源网络具有重要意义。其次,提升动力电池性能不仅需要提升电极材料、电解液和隔膜等关键材料的性质,还要从系统工程的角度通过优化来提升其兼容性和电芯的制造工艺。最后在对动力电池未来发展的展望中,他指出未来动力电池将从目前的液态锂离子电池过渡到更加安全的凝胶型和固态电池,同时也需要从锂资源的有限性来推进其高效循环开发和利用。

  以下为演讲实录,有部分整理:

  动力电池系统面临着怎样的机遇和挑战呢?今天报告主要分成三个部分:第一部分讲一下世界的大趋势,分析世界的形势和中国的政策;第二部分是分享一下我们自己做的工作;第三部分则是一些展望。

  一、机遇与挑战

  首先谈谈世界的大趋势。我们如今身处“地球村”,互联网等媒介将全世界都连接在了一起。事实上,新材料在线®正是借着互联网大时代的春风发展起来的。当前世界的主题是和平与发展,在座的每一家企业、每一位专家都是怀着和谐发展或共同发展的目的来参会的。当代另一个明显的重要特征:科技发展日新月异,比如一种材料会迅速被另一种材料所取代,我们讲求科技创新,而因为科技创新速度的加快,产业结构升级也加快了。我们属于化工产业,材料也属于化工范畴,但它从规划到产业化的周期非常漫长,已经不适应这个时代的发展要求了,亟待从过程工业的角度来优化升级,也表明世界的大趋势给产业界、学术界提出了更大的挑战。

  这个大挑战反馈给科技创新,会带来什么样的趋势呢?科技上的大趋势交叉融合,要求绿色化、智能化、高值化。具体到重要研究方向,我认为是新能源、新材料、生命健康和绿色环保。

  谈到能源,国家领导对此非常重视。在2014年6月13日的中央财经领导小组第六次会议上,国家领导人指出要推动能源的革命,包括消费、供给侧、技术和体制革命四个方面。而只有技术革命才能推动供给、消费和体制革命,所以能源技术革命在能源革命中起决定性作用,必须摆在能源发展全局的核心地位。党中央、国务院也确定设立能源、信息等领域的国家实验室,这也进一步证明了能源的重要性。

  目前,我们国家的能源结构是富煤、少气、缺油,迫切需要转型。到2050年清洁能源将占据我国总能源的50%以上,因此使用清洁能源如水电、太阳能、风能等,是国际大趋势。总体上,能源结构是要从高碳向低碳发展,新能源占比不断增加,同时要把电能系统网络化、智能化。

  为什么要发展清洁能源呢?我们国家处在生态建设之中,十八届三中全会提出了“五大建设”,其中就提到了“绿色化”。世界各国都非常重视风能、太阳能、地热能、海洋能、水电、生物质能等新能源的开和和利用,我们国家提出驱动以新能源和可再生能源为主体的能源供应体系尽早形成。新的能源必须构建新的系统,大家看到这个新能源电力系统图中包括风能、太阳能,地热能、潮汐能等,它们一个共同的特点就是波动性强,有波动就必须要储能,因此大规模的储能是新能源电力系统是否能稳定使用的核心技术之一。

  电动汽车将对世界能源格局的变化产生深远影响,目前全世界都在大力发展电动汽车。2016年,我国电动汽车销量突破50万辆,预计2020年的产量将达到200万辆,产值超过6000亿元。我国原则上不再核准新建燃油汽车项目,并严格控制现有汽车企业扩大传统燃油车产能。国外方面,在G20汉堡峰会上,法国、德国、印度、挪威等国家明确表态将全民禁售燃油车,松下、三星、LG等知名公司着手大力发展电动汽车电池市场,已开启车用电池“大战”。电动汽车已不仅仅只是一辆车,而是一个新的机遇。它将能极大地解决环境污染问题、能源危机、同别国的争端问题,同时促进智能车的发展,并通过车联网让“地球村”联系得更紧密。

  电动汽车将通过智能电网与新能源发电共同发展。电池储能是一个大的系统,在很多领域上都能应用,比如3C产品、电动汽车、智能穿戴、航空航天和规模储能等。每一个领域对电池的要求都不一样,比如3C产品需要的是小型化、高能量的电池,而电动汽车则要求高能量、高功率、长寿命的电池。

  实际上,电池储能是一个产业链,从国家的角度来讲要建立贯通研发的模式,关键技术主要靠科学院、科研机构来解决,当然也包括一些企业的研发中心。那企业主要做什么呢?企业要做关键示范,然后再推广。目前,从材料、器件到系统这样一个贯通的研发模式已经存在,只是仍然比较松散。大家都说科技成果转化力不够,事实上是从ABC到XYZ的链条没有做好,这里面包含了一个系统的研发模式,包括从分子水平分析、纳微成像到中试、工业示范、实况产品检验等,主要的挑战是动力电池、规模储能、特种电池的放大效应,需要科研和产业界联合起来,构建一个完整的、先进的研发大平台。

  关于锂电池的研究,大视野下的纳微原位解析是非常重要的,要建立跨尺度的模拟仿真技术,特别是纳米级别的模型尤为重要,但这一条研究链并没有建立起来。另外,智能大数据系统急需建立,刚才新材料在线®和寻材问料也提出来了,这个大数据系统要服务于成千上万家的企业,成为科研单位、企业和用户之间的桥梁和纽带。除此之外,要建立共享的理念。共享是没有边界的,比如北京的中关村、怀柔、上海、深圳、广州和香港等地都可以共享人才、共享平台、共享资源、共享成果,这个理念非常重要。

  那具体在运作模式上是如何实现的呢?大家来自五湖四海,股份制是最好的,新的运作模式就是共同创造、共同分享、引领未来。如果我们要建一个国家级的大平台,一定要做到“三总”(总指挥、总工程师、总保障师),分工协作。总工仅仅负责技术方面的事情,资金或者其它事务让总指挥来做,另外有总保障师做后勤保障。

  我们正在面临着一个历史性的重大机遇,中国2016年已经超越日本成为全球电池储能第一大国,而且动力电池产业发展迅猛,2016年销量达到30GWh。科研方面,全钒液流电池实现产业化,锂液流电池进入示范阶段。中国强大的经济社会发展对电池储能技术突破提出了刚性要求。

  二、研究进展

  这部分主要讲讲我们目前的研究进展,针对动力电池、超级电容和储能电池。

  先讲动力电池。动力电池目前主要存在四方面问题:一、续航里程短、成本高;二、充电速度慢;三、安全性差,易燃易爆;四、环境适应性差。在全世界范围来看,这些问题都是普遍存在的,其中续航里程短可以归结为能量密度低。怎样让动力电池既便宜又拥有高能量密度呢?这是一个很难解决的问题。我们最近与北京协同创新研究院、美国康奈尔大学都有在研讨这个问题。

  能量密度要提高到300Wh/kg,电极材料和电解液的创新是根本,这也是一个系统的问题。电极材料方面,我们要从磷酸铁锂/石墨体系过渡到三元/石墨体系,未来朝向高镍三元/硅碳体系发展。电解液则是从常规的4.2V电解液往高压电解液(4.8-5.0V)发展。总的来说,提高动力电池性能,需要解决高容量电极材料问题、高压高安全电解液问题、电芯及电池组工艺问题。我们这些年组建了从材料到系统的协同创新团队,研究电极材料、新型电解液,并和企业合作进行电池组装测试实验。

  在高容量电极材料方面,目前需要重点突破第三代动力电池电极材料,这是针对电动汽车和规模储能用的。高电压高电容正极材料的研发策略是材料改性结合电解液优化,包括浓度梯度材料+包覆、掺杂改性;人造CEI膜或添加剂原位构造CEI膜。高容量高稳定性的硅碳负极材料的问题解决策略则是SiOx颗粒可控生长、碳原位包覆;SiOx/C纳微复合多级结构的构筑。硅球与碳纳米管整体电极的研究,解决了硅膨胀和导电性差的问题;硅碳负荷微球材料的容量高、循环稳定;硅碳三维网络结构则进一步提高容量至1100mAh/g。

  高压电解液方面,可以看到电解液现存的问题是适应性差、种类繁多,我们近期目标是开发高压、高安全电解液,把离子液体作为添加剂。中长期目标是开发出一种兼容性强、适应更多种类电极材料的电解液。高压安全电解液的研究工作很庞大,是一个系统的工作。我们的思路是通过研究离子液体构效关系,开发离子液体添加剂、离子液体共溶剂、离子液体全溶剂,再研发出新一代离子液体电解液,最后实现产业化。

  我们从2007年开始研究离子液体电解液,到2016年做到了规模化生产。最新的一个工作是开发了4.95V高电压离子液体电解液,10次循环后效率大于99.5%,200次循环容量保持率为95%。我们把它做成了镍锰酸锂/钛酸锂全电池,性能还不错。送到多个第三方检测机构检测,结果显示比国外的电解液还要好一些。目前离子液体及离子液体电解液已经国内外多家使用。

  电解液溶剂的设计开发也很重要,EC(碳酸乙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)是电解液中重要的溶剂。它的反应是离子簇催化的过程,这些过程没有办法都用实验来观察到,所以我认为要想办法在“大”的条件下去模拟出来,如今是做到了。然后是突破了反应器放大的难题,我们用两年时间优化工艺,大幅降低了工艺系统的能耗,解决了反应器内气液分布不均的技术瓶颈,实现气液100%转化,也降低了后续处理的能耗。另外,我们希望能把年产7万吨的离子液体均相催化DMC新工艺的工地建设起来。

  回到动力电池本身,这个系统里面包含了非常多东西,需要解决几个“一致性”的问题。我认为要大力提升生产信息化、智能化水平,构建大数据全生命周期管控体系,具体需要实现原料一致性、工艺一致性、环境一致性。比如材料中带芯片,这样的智能材料可以实时响应,全生命周期跟踪,大数据处理。所以要把电池管理系统(BMS)的开发工作做起来,采用数值模拟强化物质、热、电、信息一体化管理系统,实现热管理、电池均衡管理、充放电管理、故障报警管理。电池系统的信息流非常重要,要建立系统方法来揭示物质、能量、信息的耦合关系,支撑电池系统创新。电池要有BMS进行实时监测,实现单体电池电压、温度、充放电电流的实时监测与控制优化算法精准地对电池组SOC、SOH状态进行估算和监控。更重要的是实现电容器跟电池的耦合,通过耦合构成一个大的系统,大幅度节能。

  第二个是超电容,超电容主要是要提高它的电压。我们开发了凝胶电解质,多种形式的炭复合材料可以发挥其高比电容的优势。掺氮活性炭双层电容器能量密度可以达到130Wh/kg。而准固态锂离子超电容的内阻小、电化学窗口达4V,最大能量密度可以达到146Wh/kg,最大功率密度可以达到22.6KW/kg。

  第三个是储能,我们国家的储能行业正处于高速发展的阶段,但是一般储能用电池的能量密度都很低,而锂离子液流电池的能量密度可达50-100Wh/kg,或许能成为新一代的规模储能技术,目前也正朝着商业化发展。在锂硫液流半固态电池方面,我们设计和制备了具有“自稳定”特性的电极浆料,流体电极稳定性高、流动性高、黏度低、电导率高、倍率放电性能突出,能量密度可达400Wh/L。流体电极循环性能方面,1C倍率循环1100周后容量保持51%,穿梭效应得到抑制。我们还支持间歇流动放电和连续流动放电,也可以长时间流动充放电。

  三、未来展望

  最后讲讲未来的展望。

  不得不说,动力电池迎来了大发展。首先是高能化,从现在的200Wh/kg、300Wh/kg的目标朝未来500Wh/kg发展,甚至会更高。其次是安全性,电解液从液态、凝胶往全固态发展。还有快充化,从现在的几十分钟到几分钟,充电时间越来越短。我认为这些目标一定能实现。

  而储能电池市场的潜力非常大,国家正在发展清洁能源,储能是能源革命的关键支撑点。2030年中国风光储能市场空间有望达到1万亿元。我们在实验室开发了一个MW(兆瓦)级锂离子液流储能电池示范工程建设,将来希望达到10MW、100MW级别。

  另外,我们要关注“后锂电”时代的几种电池。燃料电池需要提高能量转化效率,重点解决催化剂中毒的问题。锂-空电池则要解决“锂枝晶”问题,其中电解质是关键。到了2025年左右,金属锂电池或许会迎来大发展。

  说了这么多,电池回收也是非常重要的。我们国家的锂、钴、镍大多依赖进口,其中国内卤水资源中的镁锂比高、开发难度大,云母矿品味低;而钴的含量仅占世界的1.03%,消耗却占全世界总量的50%,95%以上依赖进口;镍含量仅占全世界总量的3.0%,消耗却占全世界的20%以上,进口率高达60%。电池回收是可持续发展的必由之路。

  另外,锂盐的供求关系需要高度重视。数据显示,我国锂总储量排名世界第二,但锂产量仅占全球的5%以下。其中2015年碳酸锂需求量为7.9万吨,大部分是进口的。预计2020年世界碳酸锂总需求量为46万吨,我国需求总量将达到18万吨。我们有必要创新盐湖提锂新工艺,比如沉锂母液未能有效利用,直接外排造成了浪费,另外,高纯碳酸锂生产技术开发也是当前国际难点,这些情况都要改善。

  总结起来,材料革命将推动电池储能革命。从材料到电池的革命,将改变世界、改变生活。要实现这个目标,我们必须构建电池储能的研发大平台。我在想,深圳是否能建成一个真正的电池国家级平台?将大学、研究所、产业界的优势力量集成,共同搭建这个大平台,满足国家能源领域战略需求,体现国家意志、承担国家任务。这将成为国家创新体系的核心力量。

  今天讲了这么多,到底如何迎接新挑战和新机遇呢?归纳如下:认识大势,变革观念;需求牵引,协同创新;总体规划,重点突破。

  最后我想用彼得˙德鲁克的话做结语,“我们无法左右变革,只能走在变革前面”,希望跟大家一起创造美好的未来,谢谢大家。

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