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科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力 加快建設(shè)科技強(qiáng)國(guó),實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)
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“鋰電池之父”陳立泉院士:全世界的電能都用鋰離子電池儲(chǔ)存,根本不夠,鈉離子電池是新電池首選

   2021-01-21 聰明投資者
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核心提示:中國(guó)工程院院士陳立泉在中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)主辦的2021中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)云論壇上介紹了鋰離子電池、鈉離子電池的最新研發(fā)進(jìn)展,

中國(guó)工程院院士陳立泉在中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)主辦的2021中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)云論壇上介紹了鋰離子電池、鈉離子電池的最新研發(fā)進(jìn)展,分享了衛(wèi)藍(lán)新能源一些新產(chǎn)品、當(dāng)下固態(tài)電池的性能情況。以下為陳立泉院士演講全文。

鋰離子電池已經(jīng)到了極限,下一步要發(fā)展固態(tài)電池

我今天交流的題目是“新一代電池,引領(lǐng)電動(dòng)中國(guó)”。 目前的電池就是鋰離子電池,大家都很熟悉的石墨負(fù)極,磷酸鐵鋰、三元或者鈷酸鋰做正極,電解質(zhì)是可燃的液體電解質(zhì),容易引起安全憂慮。 另外,它的能量密度到了300瓦時(shí)/公斤,已經(jīng)到了液態(tài)鋰離子電池的極限。

我們新一代電池就是要發(fā)展固態(tài)電池,或者說(shuō)逐漸要過(guò)渡到全固態(tài)鋰電池。 固態(tài)鋰電池的負(fù)極材料可以是納米硅和石墨的復(fù)合負(fù)極,正極可以是高電壓錳酸鋰、也可以是富鋰錳基材料或者不含鋰的正極材料,電解質(zhì)是固體電解質(zhì),它的能量密度可以(達(dá)到)300—450瓦時(shí)/公斤。再下一代就是遠(yuǎn)期的,鋰硫電池或者鋰空氣電池。

與此同時(shí),我們現(xiàn)在應(yīng)該要發(fā)展鈉離子電池,鈉離子電池跟鋰離子電池工藝、技術(shù)各方面都差不多,它的負(fù)極也是碳,我們現(xiàn)在是用無(wú)煙煤,正極可以不含貴重金屬,像鈷、鎳都不含,可以只含銅、鐵和錳這些比較便宜的元素。 電解質(zhì)目前是液態(tài)電解質(zhì),下一步也要發(fā)展固態(tài)鈉離子電池。目前鈉離子電池能量密度可以到150瓦時(shí)/公斤,做得好可以到200瓦時(shí)/公斤。

中國(guó)的能源是富煤、少氣、缺油,我們一定要電動(dòng)中國(guó)

目前我們能源的形式必須介紹一下。目前中國(guó)的能源情況是富煤、少氣、缺油,我們是很缺石油的。 2018年我們的能源狀況是煤、石油、天然氣加起來(lái)占整個(gè)能源的85.6%,水、風(fēng)、光、核能加起來(lái)是占18.3%,化石能源是為主的。

我們2018年自產(chǎn)的原油是1.9億噸,國(guó)外進(jìn)口的原油是4.6億噸,對(duì)外依存度已經(jīng)是71%,原來(lái)我們建議對(duì)外依存度不要超過(guò)50%,實(shí)際上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了50%。 汽車的保有量是2.4億輛,如果按一輛汽車平均2噸油算,我們進(jìn)口的原油4.6億噸正好夠我們的汽車用,所以我們一定要電動(dòng)中國(guó),要發(fā)展電動(dòng)汽車,這樣來(lái)取代進(jìn)口油。

這就是為什么我們要交通電氣化。同時(shí),要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化,智能化的設(shè)備一定也需要電池。 最近又指出,2030年前我們的碳排放要達(dá)到峰值。要達(dá)到這一點(diǎn),非化石能源占比將達(dá)到25%,風(fēng)電和太陽(yáng)能的裝機(jī)總量將達(dá)到12億千瓦以上。2020年5億千瓦,所以未來(lái)10年,每年要增加0.7億千瓦,任務(wù)是相當(dāng)艱巨的,2060年我們要實(shí)現(xiàn)碳中和。

這樣我們一定要特別強(qiáng)調(diào)能源互聯(lián)網(wǎng),能源互聯(lián)網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)能源的低碳化。要發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)一定需要儲(chǔ)能,儲(chǔ)能現(xiàn)在一個(gè)是鋰離子電池、一個(gè)是鈉離子電池,這就是新一代電池的重要性。

電動(dòng)汽車、電動(dòng)船舶和電動(dòng)飛機(jī)是未來(lái)發(fā)展方向,能源互聯(lián)網(wǎng)有五大特點(diǎn)

下面介紹一下交通電氣化,包括幾個(gè)方面: 第一個(gè),電動(dòng)汽車,這個(gè)是大家很熟悉的,我們從2000年開(kāi)始就有電動(dòng)汽車的計(jì)劃。

第二個(gè),我們目前一定要關(guān)注電動(dòng)船舶。一艘萬(wàn)箱船的硫排放量相當(dāng)于15萬(wàn)輛重型卡車,對(duì)環(huán)境污染是相當(dāng)厲害的,所以我們一定要發(fā)展電動(dòng)船舶,特別是遠(yuǎn)洋船舶,我們可以發(fā)展無(wú)人的電動(dòng)輪船。

第三個(gè),電動(dòng)飛機(jī),從2017年開(kāi)始,連續(xù)三年在中國(guó)開(kāi)了電動(dòng)航空的會(huì),所以電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展是未來(lái)我們發(fā)展的一個(gè)方向。

因?yàn)檫@三樣?xùn)|西:電動(dòng)汽車、電動(dòng)船舶和電動(dòng)飛機(jī),對(duì)改善環(huán)境都是相當(dāng)重要的。 能源互聯(lián)網(wǎng)有五大特點(diǎn):第一個(gè),所用的能源都是可再生能源;第二個(gè),是分布式的、分散的;第三個(gè),是互聯(lián)的,如果說(shuō)要構(gòu)建網(wǎng),一定要把它連起來(lái);第四個(gè),這個(gè)網(wǎng)連起來(lái)以后是開(kāi)放性的,隨時(shí)可以把多余的能源賣出去,也可以從網(wǎng)上去買所需要的能源,是開(kāi)放性的;第五個(gè),這個(gè)是智能化的,都是由智能控制的。

這五大特點(diǎn)一定都需要電池,一個(gè)是鋰離子電池,一個(gè)是鈉離子電池。

我們目前是原位固態(tài)化,物理所很早就開(kāi)始研究固態(tài)電池

現(xiàn)在的鋰離子電池是液體電解質(zhì),負(fù)極是石墨,正極是含過(guò)渡金屬的氧化物這類材料。 它的能量密度極限是300瓦時(shí)/公斤或者稍稍再高一點(diǎn),安全事故時(shí)有發(fā)生,著火或者爆炸,所以我們要發(fā)展固態(tài)鋰電池或者全固態(tài)鋰電池,用金屬鋰做負(fù)極。

目前這一階段可以不用金屬鋰,用納米硅或者硅碳復(fù)合材料做負(fù)極。正極可以利用現(xiàn)有比較便宜的、含過(guò)渡金屬的正極材料,同時(shí)將來(lái)也可以發(fā)展不含鋰的正極材料,中間的電解質(zhì)是固態(tài)的,可以是氧化物、也可以是硫化物、也可以是聚合物。

我們目前是原位固態(tài)化,下面我要講什么叫原位固態(tài)化,能量密度可以高達(dá)350—500瓦時(shí)/公斤,不燃燒,不爆炸,安全性比較高。 物理所很早就開(kāi)始研究固態(tài)電池,從1976年就開(kāi)始研究固體電解質(zhì)材料。以后我們對(duì)固體電解質(zhì)一直沒(méi)有停止過(guò)研究,最近我們從計(jì)算上發(fā)現(xiàn)一些新的材料,同時(shí)我們也對(duì)固態(tài)電池的安全性做了很多工作,發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池安全性是很好的。

我們2016年成立了衛(wèi)藍(lán)新能源公司,2018年固態(tài)電池能量密度到了300瓦時(shí)/公斤,而且我們進(jìn)行了樣車的試驗(yàn),2019年在溧陽(yáng)成立了生產(chǎn)基地,現(xiàn)在固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)供給無(wú)人機(jī)使用,電池安全性都通過(guò)了測(cè)試。 它的原材料都在批量生產(chǎn),包括硅碳負(fù)極,同時(shí)固態(tài)電池所需要的涂固態(tài)電解質(zhì)材料的隔膜也可以批量生產(chǎn)。

這里介紹一下固態(tài)電池核心材料的情況,現(xiàn)在預(yù)鋰化需要的鋰箔和涂固體電解質(zhì)粉料的隔膜都已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了。同時(shí),納米固態(tài)電解質(zhì)對(duì)正極材料可以進(jìn)行包覆,特別是高鎳正極材料,如果不進(jìn)行包覆,它的安全性是沒(méi)有保證的。我們做包覆以后它的容量是相當(dāng)高的,可以到210mAh/g,在高溫下容量更高一些。

我們目前用納米硅和石墨做復(fù)合的負(fù)極,現(xiàn)在鋰離子電池也用納米硅,我們是1996年開(kāi)始研究納米硅,1997年就在國(guó)際上申請(qǐng)了第一個(gè)納米硅做負(fù)極的專利。 從1997年開(kāi)始,經(jīng)過(guò)了大概17年的時(shí)間,從幾百毫克一直到幾百公斤,現(xiàn)在我們成立了天目先導(dǎo)公司,專門生產(chǎn)納米硅材料,可以批量的來(lái)供應(yīng)國(guó)內(nèi)外的需求,這是納米硅發(fā)展的情況。

同時(shí),我們對(duì)納米硅也要進(jìn)行預(yù)鋰化,這里顯示我們電池預(yù)鋰化以后容量還是相當(dāng)高的,到了每克1000多毫安時(shí)。顯示的18650電池的循環(huán)性是相當(dāng)好的,這是使用的情況。

衛(wèi)藍(lán)新能源一些新產(chǎn)品

下面特別介紹一下原位固態(tài)化。這個(gè)圖的上邊一部分就是銅箔的集流體,黑的是陽(yáng)極側(cè),負(fù)極材料納米硅或者硅碳負(fù)極,下面這個(gè)綠顏色就是隔膜上的LATP(磷酸鈦鋰鋁)涂層,它是電解質(zhì)材料,使液體電解質(zhì)原位固態(tài)化。 也可以看得出來(lái),通過(guò)充電、放電幾次以后,在陽(yáng)極材料的表面,就是這個(gè)黑顏色的顆粒表面,包上一層SEI膜。

在隔膜的表面,因?yàn)橥苛艘粚覮ATP,也變成了有SEI膜的固態(tài)電解質(zhì),正極、負(fù)極跟電解質(zhì)完全是成為一體了,這就是原位固態(tài)化。 這張圖顯示的,分別包氧化鋁和LATP固體電解質(zhì)材料的隔膜循環(huán)穩(wěn)定性,可以看得出來(lái),包氧化鋁的隔膜循環(huán)性不好,而包LATP固體電解質(zhì)的隔膜循環(huán)性相當(dāng)好。

這就是目前我們固態(tài)電池的一些工藝比較詳細(xì)的情況。 這是衛(wèi)藍(lán)新能源一些新產(chǎn)品,新的產(chǎn)品里頭我特別強(qiáng)調(diào)一下,這個(gè)電池能量密度可以到1540瓦時(shí)/升,這是目前全世界最高的體積能量密度,它的重量能量密度可以到600瓦時(shí)/公斤,它的電池容量是25安時(shí)。

這張圖介紹了300瓦時(shí)/公斤的高比能的混合固液動(dòng)力電池情況,容量是58安時(shí),它的能量密度是300瓦時(shí)/公斤。圖右上面是液態(tài)電解質(zhì)電池,穿刺會(huì)起火、要爆炸,而固體電池穿刺沒(méi)問(wèn)題。

這顯示的是它的溫度,基本上沒(méi)有什么大的變化。這是穿刺電壓的情況,可以看得出來(lái),那條紅線,只要釘子一扎進(jìn)去它電壓往下降,但是過(guò)一會(huì)兒電壓可以恢復(fù)了。這是58Ah電池的循環(huán)性,1400周容量保持率還有80%。

另外,它低溫性能也相當(dāng)好,紅線是低溫性能,負(fù)20度的容量保持率可以78%。倍率特性也是相當(dāng)不錯(cuò)的,0.2C一直到3C,基本上容量變化很小。

這是400瓦時(shí)/公斤高比能的固態(tài)電池,它的電池容量是11安時(shí),中間是電池的情況,上面右上角是它的0.3C循環(huán)性的情況。

可以看出,它的安全性也還是不錯(cuò)的,釘子扎進(jìn)去以后它的電壓也往下降,釘子還在里頭電壓逐漸往上升。針刺的時(shí)候溫度上升很小,差不多也就是兩三度溫度的上升,所以400瓦時(shí)/公斤的高能固態(tài)電池,同樣安全性還是不錯(cuò)的。

這個(gè)顯示的是物理所創(chuàng)辦的衛(wèi)藍(lán)新能源公司的一個(gè)子公司,衛(wèi)國(guó)創(chuàng)芯科技公司,在去年的一次評(píng)比上,它得了四項(xiàng)第一,這里顯示的是高能量密度的一等獎(jiǎng)電池的情況:0.2C,能量密度達(dá)610瓦時(shí)/公斤;2C,能量密度可以到500瓦時(shí)/公斤,所以能量密度是相當(dāng)高的。

世界的電能都用鋰離子電池儲(chǔ)存,根本不夠,鈉離子電池是新電池首選

下面我就介紹一下鈉離子電池,為什么介紹鈉離子電池呢?因?yàn)殇囯x子電池現(xiàn)在全世界都在做,如果說(shuō)全世界的車都用鋰離子電池來(lái)開(kāi),全世界的電能都用鋰離子電池儲(chǔ)存,根本不夠,所以我們一定要考慮新的電池,鈉離子電池是首選。

鋰的含量是相當(dāng)少的,只有0.0065%,鈉的含量2.75%,鈉的含量相當(dāng)多。這張圖顯示,我們以磷酸鐵鋰電池(鋰離子電池中最便宜的)作為一個(gè)對(duì)比,它每瓦時(shí)的原材料成本是3毛4,鈉離子電池的原材料成本每瓦時(shí)是2毛6,比較便宜。

另外,我們最近可以看得出來(lái),2021年碳酸鋰的價(jià)格還在上漲,1月4日是54000元/噸,比去年上漲了12000元/噸,有的公司甚至報(bào)63000元/噸,估計(jì)以后碳酸鋰的價(jià)格還會(huì)漲,這是我們一定要發(fā)展鈉離子電池很重要的原因。

我們從2010年開(kāi)始就開(kāi)始鈉離子電池的研究,經(jīng)過(guò)將近10年的時(shí)間,從原材料開(kāi)始研究,正極材料發(fā)現(xiàn)了四五種,負(fù)極材料也發(fā)現(xiàn)了四五種,最后我們選定了右邊這個(gè)正極材料,右上角是含銅、鐵、錳便宜金屬的正極材料,右下角是無(wú)煙煤做的碳材料,這樣就保證了材料的成本相當(dāng)?shù)汀?/p>

6安時(shí)軟包裝鈉離子電池能量密度相當(dāng)高,高低溫性能都不錯(cuò)

6安時(shí)軟包裝鈉離子電池的能量密度達(dá)到了145瓦時(shí)/公斤,已經(jīng)是相當(dāng)高了??梢钥斐洌?C充/5C放是1C充/1C放容量的90%,10C充/10放容量是1C充/1C放的70%,快充性能比鋰離子電池還好。它的循環(huán)性,1C充/1C放的循環(huán)性可以大于6000次,3C充/3C放可以到3000次,所以它的循環(huán)性還是相當(dāng)不錯(cuò)的。

另外,它的高低溫性能都是不錯(cuò)的,左上角就是60度把它充滿電,讓它在高溫60度存放7天,它的容量有所下降,在常溫下,很快它又恢復(fù)。

左下角那個(gè)圖是充滿電以后在85度存放7天,它的容量就降低了,放在常溫下以后容量也還是恢復(fù)了。右上角是80度的循環(huán)性,一般鋰離子電池80度循環(huán)性就相當(dāng)差了,但鈉離子電池在80度的循環(huán)性還是相當(dāng)好,將近1000次容量保持78%。

另外看低溫性能,圖中藍(lán)顏色的曲線顯示出鈉離子電池低溫性能,它在負(fù)40度還可以充放電。黑顏色是磷酸鐵鋰電池的放電曲線,可以看得出來(lái),磷酸鐵鋰在負(fù)30度的時(shí)候,容量就已經(jīng)相當(dāng)?shù)土?,只有原?lái)的40%,所以鈉離子電池的低溫性能、高溫性能都很好。

中科海鈉公司是物理所技術(shù)成立的公司,這里是各類鈉離子電池的情況,包括軟包裝的、鋁殼的和圓柱形的情況。

科學(xué)院物理所從2010年開(kāi)始鈉離子電池研究,上面圖是材料的研究,下面圖是電池的研究,大概2015年研制出第一個(gè)軟包裝的電池。這是電動(dòng)自行車。這是2017年我們演示了電動(dòng)汽車,這個(gè)是2019年我們演示的第一個(gè)儲(chǔ)能電站,這是電動(dòng)觀光車。這就是整個(gè)鈉離子電池的發(fā)展情況。

我就介紹這么多,最后用兩句話來(lái)結(jié)束我的交流。第一句是“固態(tài)電池大干快上,引領(lǐng)電動(dòng)中國(guó)”。第二句是“鈉離子電池并駕齊驅(qū),助推能源互聯(lián)。”

謝謝大家!



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