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中国科学院物理研究所李泓:高能量密度锂电池的研发进展

钜大LARGE  |  点击量:1026次  |  2019年08月07日  

摘要
中国储能网讯:12月7日-8日,以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨,旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间

12月7日-8日,以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨,旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台,通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系,助力实现向汽车强国的转变。以下是中国科学院物理研究所研究员李泓在本次论坛上的发言:


中国科学院物理研究所研究员 李泓


电池本身在各个领域应用很多,这里必然要用到先进的电池技术,特别是在交通工具上,包括海陆空天各种交通工具都在逐渐电动化。电动汽车在不断发展,我们期待着今后续航里程能达500公里,15分钟之内完成一次充电,具有更长的循环寿命,更高的安全性,满足车网互联应用要求的动力电池发展起来,但目前的电池技术还不能很好的满足所有需求,需要改进现有技术或者发展新的电池。


在安全性、可靠性保障的基础上,能量密度、循环寿命、成本是动力电池开发的核心目标。


从能量密度上看,目前300Wh/kg是行业技术指标,不过各国政府提出了更高的研发目标:400Wh/kg甚至500Wh/kg。提高能量密度的策略依赖于锂离子电池关键材料技术的不断升级。同时通过正负极材料及其他材料的组合形成不断发展的电池体系,满足不同客户需求。


提升能量密度后,同体积或同质量的高能量密度电芯释放热量也较多。此外,高能量密度电芯目前循环性、功率密度普遍不佳。功率密度提高的时候,电流比较大,内部放热比较多,而高热情况下容易热失控。另一方面高的电流密度会引起材料结构损伤,这样影响循环性。不断提高能量密度,需要解决热失控的问题,目前离这个目标还有相当远的距离。


在电芯安全性方面,企业想了很多办法,主要问题就是正极,特别是三元材料在高温容易释放氧气,这个氧气跟电解液发热。采用不燃烧的电解液虽然好,但完全不燃烧的电解液性能又不太好,所以另一个思路就是能不能彻底更换为固态电解质的电池,这个方面还需要进一步的论证和验证。


出于这样的考虑,在2008年的时候日本政府提出来,未来电池应该走向全固态,与此同时解决液态电池的其他很多问题,如漏液、界面不稳定、爆炸性等问题。今年6月15日,日本NEDO又发布了一个9000万美元的项目,联合了38家单位,包括三个最大的车企,还有电池企业、材料企业及十五家研发机构和大学共同开发固态电池。这里面主要的出发点是固态电解质不燃烧,热稳定性好,他们的目的就是要解决基础的技术问题,开发元器件,对元器件进行评价,充分的了解元器件的性能耐久性和安全性。而最终目的是以日本为主导来推进国际标准化。今年德国政府投资10亿欧元投资推动这个项目,可见这方面竞争的激烈。在讨论之前需要说明,如果电池里面不含任何液体就是全固态,如果有液体就是混合固液。对于客户来说关心的是性能,叫什么概念不是决定性的。


再来看下固态锂电池的分类,全世界大概有四类全固态电池,一类是聚合物全固态锂电池、它的主要短板就是必须在60度以上工作,容易短路。一类是薄膜全固态锂电池、该电池循环性好,适应高电压,但不易放大。第三类是硫化物全固态锂电池,还有一类是氧化物全固态锂电池,安全性还可以,做到大容量还没有完全实现。因此,全固态锂电池到最后应用还有比较远的距离,主要是科学上的解决方案尚未完全明确,这里不细说了。


除了全固态之外,如果降低液体电解液含量,逐渐降低到很少,会不会安全性显著提高,这个答案是显而易见的。2016年东芝公司的解决方案中,有3.2%wt的液体,针刺温升只有1度,用的固体电解质是锂镧锆氧的颗粒膜、3微米的涂层。从这上面可以看到少量的液体可以兼顾动力学和安全性以及循环性的要求,受这种启发,开发还有很多可能性。


最后介绍一下我们的工作,中科院物理所1976年开始开发全固态电池,后来索尼公司成功商业化锂离子电池后,物理所也转到了液态锂离子电池的研究。在这个过程中创办了一系列的企业,包括苏州星恒。开发的大容量动力电池和储能电池时认识到安全性的重要性,所以开始回过头做固态电池, 我们在同步开发基于原位固态化的混合固液电解质电池技术以及全固态电池技术。从应用角度考虑,固态电池的商业化是一个漫长的过程,一般来说,现在完成了A样,做到SOP至少需要三年,整车验证严格的话至少需要15个月,这样假设2109年能提供A样,最快2023年装车量产。现在A样能完成系统测试的几乎没有,因此最快也就是2023年到2025年混合固液电解质电池能量产装车,2025年全固态开始装车。我们今年采用混合固液电解质电池装了两部车,电池包大概是206瓦时每公斤的水平。这只是上车测试,离量产还有很远。为了推动技术的发展,我们现在逐步向中试发展。我们溧阳的天目湖先进储能技术研究院做了研制,溧阳还有一个电池的中试基地,希望大家一起合作。


谢谢大家!


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