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    1. 中國工程院院士陳立泉:固態電池大干快上,引領電動中國。

      時間:2021.01.19 點擊量:742
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      2021年,十四五開局,“2030碳達峰、2060碳中和”國際承諾已許下,汽車革命邁向以智能化、網聯化為核心的中高級發展階段……2021年1月15-17日,第七屆中國電動汽車百人會論壇在釣魚臺國賓館以線上方式舉辦召開,會議主題是“新發展格局與汽車產業變革”,會議引來多方關注。在1月17日上午進行的未來電池論壇上,中國工程院院士陳立泉發表了主題演講。下面是陳院士的發言:

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      陳立泉:大家好!我是中國科學院物理研究所陳立泉,我代表我的同事李泓、胡勇勝和衛藍新能源的俞會根和天目先導的羅飛跟大家一起交流。我今天交流的題目是“新一代電池,引領電動中國”。

      目前的電池是什么呢?目前的電池就是鋰離子電池,大家都很熟悉的石墨負極,然后磷酸鐵鋰或者三元或者鈷酸鋰做正極,電解質是可燃的液體電解質,容易引起安全憂慮,另外它的能量密度到了300瓦時/公斤,已經到了液態鋰離子電池的一個極限。我們下一步或者新一代電池就是要發展固態電池或者說我們逐漸要過渡到全固態鋰電池。

      固態鋰電池的負極材料可以是納米硅和石墨的復合負極,正極可以是高電壓錳酸鋰、也可以是富鋰錳基材料或者說是不含鋰的正極材料,電解質是固體電解質,它的能量密度可以300—450瓦時/公斤。再下一代就是遠期的,鋰硫電池或者鋰空氣電池。與此同時,我們現在應該要發展鈉離子電池,鈉離子電池跟鋰離子電池基本上差不多,工藝技術各方面都差不多,它的負極也是碳,我們現在是用無煙煤,正極可以不含貴重金屬,像鈷、鎳都不含,可以只是含銅、鐵和錳這些比較便宜的元素。電解質目前是液態電解質,下一步也要發展固態鈉離子電池。目前鈉離子電池能量密度可以到150瓦時/公斤,做得好的話可以到200瓦時/公斤。

      我們目前能源的形式必須介紹一下。目前我們中國的能源情況是富煤、少氣、缺油,就是石油我們是很缺的。2018年我們的能源狀況,是煤、石油、天然氣加起來占整個能源的85.6%,水、風、光、核能加起來是占18.3%,應該說化石能源是為主的。我們2018年自產的原油是1.9億噸,國外進口的原油是4.6億噸,對外依存度已經是71%,原來我們建議對外依存度不要超過50%,實際上已經遠遠超過了50%,汽車的保有量是2.4億輛,如果按一輛汽車平均2噸油算的話,那么我們進口的原油4.6億噸正好是夠我們的汽車用,所以我們一定要電動中國,要發展電動汽車,這樣來取代進口油,這就是為什么我們要交通電氣化。同時,要實現設備的智能化,智能化的設備一定也需要電池。

      另外,習主席倡導構建全球能源互聯網,以清潔和綠色方式滿足全球的電力需求。同時最近又指出,2030年前我們的碳排放要達到峰值,要達到這一點的話,非化石能源占比將達到25%,那么風電和太陽能的裝機總量將達到12億千瓦以上。2020年5億千瓦,所以未來10年每年要增加0.7億千瓦,所以任務是相當艱巨的,2060年我們要實現碳中和,這就是習主席最近發布的我們中國的一個時間節點。

      這樣我們一定要特別強調能源互聯網,能源互聯網就可以實現能源的低碳化。那么要發展能源互聯網一定需要儲能,儲能現在一個是鋰離子電池、一個是鈉離子電池,所以這就是新一代電池的重要性。

      下面就介紹一下交通電氣化,包括幾個方面:

      第一個,電動汽車,這個是大家很熟悉的,我們從2000年開始就有電動汽車的計劃。

      第二個,我們目前一定要關注電動船舶。一艘萬箱船的硫排放量相當于15萬輛重型卡車,對環境污染是相當厲害的,所以我們一定要發展電動船舶,特別是遠洋船舶,我們可以發展無人的電動輪船。

      第三個,電動飛機,最近中國從2017年開始連續三年在中國開了電動航空的會,所以電動飛機的發展是未來我們發展的一個方向。

      因為這三樣東西:電動汽車、電動船舶和電動飛機,對改善環境都是相當重要的。

      能源互聯網有五大特點:第一個,所用的能源都是可再生能源。第二個,是分布式的、分散的。第三個,是互聯的,如果說要構建網,一定要把它連起來。第四個,這個網連起來以后是開放性的,隨時可以把多余的能源賣出去,也可以從網上去買所需要的能源,是開放性的。第五個,這個是智能化的,都是由智能控制的。這五大特點一定都需要電池,一個是鋰離子電池,一個是鈉離子電池。

      現在的鋰離子電池,剛才我已經介紹了,是液體電解質,負極是石墨,正極是含過渡金屬的氧化物這類材料。

      它的能量密度,極限是300瓦時/公斤或者稍稍再高一點,安全事故時有發生,著火或者爆炸,所以我們要發展固態鋰電池或者全固態鋰電池,用金屬鋰做負極。目前這一階段可以不用金屬鋰,可以用納米硅或者硅碳復合材料做負極。正極可以利用現有的比較便宜的含過渡金屬的正極材料,同時也可以將來發展不含鋰的正極材料,中間的電解質是固態的,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化,下面我要講什么叫原位固態化,能量密度可以高達350—500瓦時/公斤,不燃燒,不爆炸,安全性比較高。

      物理所實際上很早就開始研究固態電池,從1976年我們就開始研究固體電解質材料。以后我們對固體電解質一直沒有停止過研究,最近我們從計算上發現一些新的材料,同時我們也對固態電池的安全性做了很多工作,發現固態電池安全性是很好的。我們2016年成立了衛藍新能源公司,2018年固態電池能量密度到了300瓦時/公斤,而且我們進行了樣車的試驗,2019年在溧陽成立了生產基地,現在固態電池產品已經供給無人機使用,電池安全性都通過了測試。它的原材料包括硅碳負極都在批量的生產,同時固態電池所需要的涂固態電解質材料的隔膜也可以批量生產。

      這里介紹一下固態電池核心材料的情況,現在預鋰化需要的鋰箔和涂固體電解質粉料的隔膜都已經產業化了。同時,納米固態電解質對正極材料可以進行包覆,特別是高鎳正極材料,如果不進行包覆的話,它的安全性是沒有保證的。我們做包覆以后它的容量是相當高的,容量可以到210mAh/g,在高溫下容量更高一些。

      納米硅,剛才我說了,我們目前用納米硅和石墨做復合的負極,現在鋰離子電池實際上也用納米硅,我們是1996年開始研究納米硅,1997年我們就在國際上申請了第一個納米硅做負極的專利,從1997年開始,我們經過了大概17年的時間,從幾百毫克一直到幾百公斤,現在我們成立了天目先導公司,專門生產納米硅材料,可以批量的來供應國內外的需求,這是納米硅發展的情況。

      同時,我們對納米硅也要進行預鋰化,這里顯示我們電池預鋰化以后容量還是相當高的,到了每克1000多毫安時。顯示的18650電池的循環性是相當好的,這是使用的情況。

      下面特別介紹一下原位固態化。這個圖的上邊一部分就是銅箔的集流體,黑的是陽極側,負極材料納米硅或者硅碳負極,下面這個綠顏色就是隔膜上的LATP(磷酸鈦鋰鋁)涂層,它是電解質材料,使液體電解質原位固態化。也可以看得出來,通過充電、放電幾次以后,在陽極材料的表面,就是這個黑顏色的顆粒表面就包上一層SEI膜。在隔膜的表面,因為涂了一層LATP,也變成了有SEI膜的固態電解質,正極、負極跟電解質完全是成為一體了,這就是原位固態化。

      這張圖顯示的,分別包氧化鋁和LATP固體電解質材料的隔膜循環穩定性,可以看得出來,包氧化鋁的隔膜循環性不好,而包LATP固體電解質的隔膜循環性相當好。這就是目前我們固態電池的一些工藝比較詳細的情況。

      這是衛藍新能源一些新產品,新的產品里頭我特別強調一下,這個電池能量密度可以到1540瓦時/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/公斤,它的電池容量是25安時。

      這張圖介紹了300瓦時/公斤的高比能的混合固液動力電池情況,容量是58安時,它的能量密度是300瓦時/公斤。圖右上面是液態電解質電池,穿刺會起火、要爆炸,而固體電池穿刺沒問題。這顯示的是它的溫度,基本上沒有什么大的變化。這是穿刺電壓的情況,可以看得出來,那條紅線,只要釘子一扎進去它電壓往下降,但是過一會兒電壓可以恢復了。這是58Ah電池的循環性,1400周容量保持率還有80%。另外,它低溫性能也相當好,紅線是低溫性能,負20度的容量保持率可以78%。倍率特性也是相當不錯的,0.2C一直到3C,基本上容量變化很小。

      這是400瓦時/公斤高比能的固態電池,它的電池容量是11安時,中間是電池的情況,上面右上角是它的0.3C循環性的情況??梢钥闯鰜硭陌踩砸策€是不錯的,釘子扎進去以后它的電壓也往下降,釘子還在里頭電壓逐漸往上升。針刺的時候溫度上升很小,差不多也就是兩三度溫度的上升(黑線和紅線是正負極兩邊的溫度情況),所以400瓦時/公斤的高能固態電池同樣安全性還是不錯的。

      這個顯示的是物理所創辦的衛藍新能源公司的一個子公司衛國創芯科技公司,在去年的一次評比上它得了四項第一,這里顯示的是高能量密度的一等獎電池的情況:0.2C,能量密度達610瓦時/公斤;2C,能量密度可以到500瓦時/公斤,所以應該說能量密度是相當高的。

      下面我就介紹一下鈉離子電池,為什么介紹鈉離子電池呢?因為鋰離子電池現在全世界都在做,如果說全世界的車都用鋰離子電池來開,全世界的電能都用鋰離子電池儲存的話,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,鋰的含量是相當少的,只有0.0065%,鈉的含量2.75%,應該說鈉的含量相當多。這張圖顯示的,我們以磷酸鐵鋰電池(鋰離子電池中最便宜的)作為一個對比,它每瓦時的原材料成本是3毛4,鈉離子電池的原材料成本每瓦時是2毛6,比較便宜。另外,我們最近可以看得出來,2021年碳酸鋰的價格還在上漲,1月4日是54000元/噸,比去年上漲了12000元/噸,有的公司甚至報63000元/噸,估計以后碳酸鋰的價格還會漲,這是我們一定要發展鈉離子電池很重要的原因。

      我們從2010年開始就開始鈉離子電池的研究,經過將近10年的時間,從原材料開始研究,正極材料發現了四五種,負極材料也發現了四五種,最后我們選定了右邊這個正極材料,右上角是含銅、鐵、錳便宜金屬的正極材料,右下角是無煙煤做的碳材料,這樣就保證了材料的成本相當低。

      下面介紹一下6安時軟包裝鈉離子電池的能量密度達到了145瓦時/公斤,已經是相當高了??梢钥斐?,5C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%,應該說快充性能比鋰離子電池還好。它的循環性,1C充/1C放的循環性可以大于6000次,3C充/3C放可以到3000次,所以它的循環性還是相當不錯的。

      另外,它的高低溫性能都是不錯的,左上角就是60度把它充滿電,然后讓它在高溫60度存放7天,它的容量有所下降,在常溫下,很快它又恢復。左下角那個圖是充滿電以后在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了。右上角是80度的循環性,一般鋰離子電池80度循環性就相當差了,但鈉離子電池在80度的循環性還是相當好,將近1000次容量保持78%。

      另外看低溫性能,圖中藍顏色的曲線顯示出鈉離子電池低溫性能,它在負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,磷酸鐵鋰在負30度的時候它的容量就已經相當低了,只由原來的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的技術成立的公司,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。

      科學院物理所從2010年開始鈉離子電池研究,上面圖是材料的研究,下面圖是電池的研究,大概2015年研制出第一個軟包裝的電池。這是電動自行車。這是2017年我們演示了電動汽車,這個是2019年我們演示的第一個儲能電站,這是電動觀光車。這就是整個鈉離子電池的發展情況。

      我就介紹這么多,最后用兩句話來結束我的交流。第一句是“固態電池大干快上,引領電動中國”。第二句是“鈉離子電池并駕齊驅,助推能源互聯?!?/span>

      謝謝大家!


      陳立泉寄語:

          

      陳立泉:大家好!我是中國科學院物理研究所陳立泉,很高興有機會參加這次會議,現在我們國家電動汽車發展形勢很好,現在已經是處于世界領跑狀態,我們應該在新的一年里、在新的五年計劃開始的時候要進一步堅持我們以前發展純電動汽車的策略,只有純電動汽車才能夠解決我們石油稀缺的問題。同時,為了解決電動汽車的安全性和解決大家對續航里程短這種憂慮,我們一定要發展固態鋰電池,這樣的話可以解決安全問題,不會爆炸、燃燒。同時,固態鋰電池續航里程可以更長。

      第三個,我們應該采取換電的模式。采取換電模式有一個好處就是,汽車用戶可以根據他自己開車距離的長短來確定究竟電動汽車裝多少電池,這樣的話成本各方面都可以自己控制,如果開遠途的話電池的數量就可以增加,所以這樣對用戶、對電動汽車市場是很有幫助的。

      祝第七屆中國電動汽車百人會論壇圓滿成功。


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