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中科院专家黄学杰:磷酸铁锂可以作为锂电池的技术突破口 2020年达到260瓦/时/公斤


中国机械工业联合会机经网  发布时间:2017-11-24 10:23:56  来源:电力头条APP

关键词: 锂电池    磷酸铁锂    2017充换电高峰论坛   

中科院工业技术研究院专家黄学杰就《高性能储能电池技术研究 》发表演讲。


  中科院工业技术研究院专家黄学杰就《高性能储能电池技术研究 》发表演讲,以下为演讲实录:

  今年已经是我做锂电池研究的第三十个年头,因为电池是有很多种,储能也有很多种,电化储能是其中的一种,锂离子电池又是电化储能的一种,不同的锂离子应该有不同的正极和负极,今天重点讲一讲磷酸铁锂。

  磷酸铁锂的发现已经超过二十年了,二十年前磷酸铁锂的发明人Michel教授现在仍然在工作,但是磷酸铁锂不导电,老同志和小同志都能够创新,所以这是不一而足的。解读磷酸铁锂的纳米化包碳的问题,可惜没有拿到诺贝尔奖。这个不仅仅是基础的创新,也会做产业化。磷酸铁锂的包碳专利是1999年在夏威夷的电化会议上公布的,接着创办了磷酸铁锂的第一个公司,把磷酸铁锂推向了产业化,确实是为行业做出了基本的贡献。

  为什么要做磷酸铁锂?这是全球有名的中温电池的公司,现在最高端的就是ACL,现在特斯拉也是用ACL,最长寿命的电池就是磷酸铁锂,真正的特点是把它放在高温的情况下,或者一整年的时间搁置,它的内组都不会太变化,所以这个是属于功率型的核件。石景山电厂为什么要用这种磷酸铁锂的功率型电池?因为这是联合调频,所以要求功率特性很好。

  十年前是在120W/时/公斤,特性非常之好。中国的电池水平怎么样?这是2008年法国的电力公司EDF在全球评估电池,包括中国的6家,寿命最长的是40W/时的电池,100%的SOC,1小时充1小时放,这个做了多少次呢?超过了6000次,还有80%,这样就是在45度也有不错的表现,如果是35-45度的话很快就没有了,不要指望4000-5000次的情况。

  有了这样的电池要干什么呢?首先就是电动车,都说中国电池的一致性不好,其实是因为没有做好。法国正好是在招两个标:一个标是巴黎地区的固态电池的标,刚开始是2000台,因为有些私人购买,最后是做了2280台,选来选去,到了2010年的时候选定了苏州新城。这个车最长的已经跑了7年,跑了20万公里以上。每次充电就是1000多公里,相当于跑了3000次。这是最长的是满7年的,普遍的容量是83%-90%,没有任何一台低于83%,所以这就证明了中国的电池好好做的话也可以做得很好。

  电池做得好接着怎么办?还有很多装备是进口的,现在要用国产的装备产业才能做起来,所以钟秘书长邀请我,我很高兴,广东的秘书长我一定要支持,因为中科院在广州就建立了一个动力电池制造技术的创新基地,因为过去我们的材料要从国外买,后来材料国产化了,中国的设备也开始走到欧洲去了,就在广州的南沙国家级高新区建了一个动力电池工艺技术的服务平台,物理所是材料和电池技术,沈阳自动化所是做机器人的研究所,还有一些软件所。工业化设备就在这里被开发出来,然后又被提升,这是几十米的设备,不是实验室里面摆在桌子上的设备。

  这些设备不仅是满足了自己产业的需求,中国有了电池大型生产设备,进入了日本的松下公司,也就是说我们的设备已经开始反向进入人家的企业。接着我们推动了纯绿色的制造工艺,针对这样的电池,过去主要是要用一种LNP,也是比较复杂的,这种有机溶剂对人体有比较大的危害,不仅是贵,关键是工厂要投资到回收系统,还有工厂配合去做这种集成处理。欧洲地区是不允许这样的溶剂用于工业生产,所以这也就是在欧洲到现在为止为什么没有一个规模的电池厂,不是说欧洲人不会干,因为法规上规定的,某些污染的、有毒的工业溶剂不可以大规模地用于工业生产,今天这类企业解决了这个问题,德国本土的也开始解决了这种问题,所以德国的第一个生产工厂先也在建设。

  高精度的机器喷头,不仅是在中国的企业,日资的企业已经开始做起来了。今天电池最怕什么?短路是因为正负极片是带着能量的,靠的是十几个微米的隔膜,手机可以达到8微米,这样机械切割的难度越来越大,第一台激光切片机在被开发出来,不仅是推广到企业,而且支持了创业的公司,然后从行业来提供。无论是手机电池或者汽车电池,拆开来看正负极都在一头,然后把电流引出来,最大的问题就是流产和热产都不增容,新的结构开发出来,正极就是铝箔,整个和外科一起构成了导电体,这样正极就会引出来。这样做出来的电池在大电流下工作,为什么要工厂重用?因为电池需要一起出力,接着就是自动化的设备在企业推广开来示范运行。

  现在江西南昌就有了第一条完全依赖中国设备的新型结构大电池,还有非接触式生产,没有一只手可以去摸这个电池,所以今天比能量得到了进一步的提升。接下来是两个方向开始得到应用:一个方向是电动车辆上,就是加州的波特威尔市,这种公交车的大客车在示范运行,也是员工通行的班车。一个车子上的电池就是450千瓦时,要比国内的大一些,国内现在由于补贴政策的原因,一般的公交车就是100多度,不超过200千瓦时,因为它的要求里程会更长一些。欧洲的储能应用为什么要算磷酸铁锂?现在和三元电池比同样尺寸的集装箱立柜,同样的长宽高能够多放40%的能量,正在欧盟的两个方向推广:一个方向是集装箱用于固定式的储能,另一个是用在船上面,可以直接调过去开这个船,没有的时候到了岸边把集装箱吊起来,换成一个充满电的集装箱上去,这个是在推广当中。

  新的技术在不断进步,即使是磷酸铁锂能量可以作为突破,200瓦/时/公斤,新的电池会更高。这个其中有一个替代,就是负极的石墨,但是有一个问题,不能在零下几十度的时候充电,不能在低温条件下充电,快速充电会受到影响。实际上对石墨的替代我们是二十年前就开始了,我在1998年发布的第一期就解释了一个机理,但是日本人提出氧化物能够储藏很多的锂,我去了以后就知道了这个消息,拿回来以后看到可以合金化就很好办,我们就按照程序来做。到了去年我们解决了一个问题,这一类的合金能够快速充电,因为借助于这种纳米的技术可以把它满足低温下面的充电,这个是指室温下面的快速充电,低温也有很好的充电性能。

  大家都在讲硅碳,硅碳这个概念是哪一年提出的呢?是我们1997年的专利,所以正好也是二十年,专利都过期了,但是这件事情现在还在做。当时发现纳米硅能够拿来跟锂合金,碳加进去寿命就是提高,所以提出了硅碳的概念。二十年就在挑战一个问题,因为硅碳有很高的容量,但是硅的体积变化非常之大,储存进去就膨胀了,拿走就脱落了,体积就收缩了,所以寿命就没有了。斗争了二十年以后,我们突然发现硅碳不能解决问题,表面上解决了材料的不脱落,实际上它的内部继续破裂。

  到了2011年,我们把这个问题解决了,今天在工业上开始走起来了,硅碳负极碰到了问题以后不断破裂,仍然达不到100%的效率,所以电池的寿命不能保障,今天重温也是从硅碳走向无碳合金负极,所以现在是快速地发展。有了这些发展,我们可以看到磷酸铁锂电池是在快速提升,接着会超越今天的水平。比如电池包的比能量,实事求是地讲,现在即使是特斯拉,国内最高的比例是150,轿车上会有更高的要求。

  我们对轿车有清晰的路线图,要到2020年的时候解决300瓦/时/公斤,就是一半的价格,这个事情已经很明确了,所以针对乘用车来讲硅碳会变成合金,过去我们想的从硅到硅碳都是演变的过程,我们一点一点地努力可以做到,努力到一定时候就会碰到障碍。高裂会直接走向高压,硅碳就会走向无碳合金,整个这件事情就会走起来。未来会为电动汽车的乘用车行驶里程倍增,今天电池包的比能量要从2018年达到200,工信部的路线图是到2020年达到260,也就是说里程会增加1倍,电池的每瓦时的价格会下降50%。这些都会是现实,因为补贴马上就没有了,没有补贴的时候什么电池才能车辆的进步?新的技术是在快速走出实验室,无论是储能这条线还是电动汽车这条线都会在未来的几年有这种演变。

  科研上也得到了极大的支持,现在正在怀柔建一个北京清洁能源材料测试诊断与研发平台,其中5个亿的投入一多半都是锂电池的研发上面,而且这个测试平台是对全行业开放的,欢迎大家一起参与。这个项目有屋顶上的太阳能板,还有储能柜的项目,是为前行业提供服务五。现在已经是作为科研专项支持了一部分,正在做全行业的分析。蔡书记觉得做得不错,北京市在科创中心又做了一块。物理所现在的平台都是对全社会开放的,包括整车企业、电池企业、材料企业、研究单位,有些现在已经开始使用这些设备来做这种分子水平的分析,甚至是原子水平的分析,怀柔的基地明年下半年开始投入使用以后会有更多的机会和大家去做。

  以上内容根据会议现场整理,并未经过本人确认


 


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