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艾新平教授:下一代動力電池關鍵材料與技術

時間:01-08 15:43

中國電動汽車百人會在上海安亭舉辦了產業培訓(華東班)第一期課程,本期主題是「電動汽車核心技術突破與創新」,中科院物理所研究員黃學杰、武漢大學教授艾新平、華霆動力總經理周鵬、上海電驅動副總經理張舟云、精進電動創始人余平、上汽捷新動力電池系統有限公司副總工程師朱玉龍、新能源汽車動力系統專家王英、華域汽車電動宋玉環等學者專家以及企業代表對動力電池核心技術及發展趨勢、先進驅動技術發展及實踐成果做了詳細深入地講解。


艾新平教授,武漢大學化學與分子科學學院教授,博士生導師。湖北省化學電源材料與技術重點實驗室主任,科技部《新能源汽車專項》指南專家和總體專家組動力電池責任專家。主要研究領域包括:鋰離子電池、鈉離子電池、鋰-硫電池,以及電池安全性技術。先后主持國家 973 項目課題、國家 863 項目以及國家自然科學基金項目 10 余項,發表學術論文 100 余篇,曾獲國家技術發明二等獎一項,省部級科技成果獎兩項。


以下是艾新平教授的發言內容:


在分析動力電池的技術發展路線之前,首先討論一下電池比能量對電動汽車發展的影響。


電池比能量是決定車續航里程的重要因素,因此決定了駕駛的便利性,對于電動汽車的市場接受度具有重要影響。當然像特斯拉那樣,通過增加電池裝載量也可以實現續航里程的大幅度提高,但這種做法我本人并不贊同。


這里有一個簡單的計算:對于能量密度只有 120 瓦時/公斤的電池系統來說,如果我們將車的續航里程設計為 150 公里的話,電池總重只有 100 多公斤,電池成本按照目前價格也就 2 萬多元;但是如果我們非要將車續航里程設計為 300 公里,整個電池系統的重量就變成了 340 公斤。對于一個最經濟性的轎車來說,800 公里的自重對 300 多公斤的電池,我想這個電池重量還是過重了。


再來看看能耗,由于大多數時候人們并不需要用到這么多電池,這就是為什么特斯拉在新加坡不被人們接受并遭到罰款的原因,因為這種車并不環保,增加能耗也是增加了排放。


此外,過多電池還會造成整車成本的翻倍。假設按照我們現在的規劃,2020 年電池系統能夠達到 200 瓦時/公斤,單體達到 300 瓦時/公斤以上,那么將車續航里程設計為 300 公里就是很正常的一個配置。但是,如果說基于 200 瓦時/公斤電池包非要將車設計到 500 公里,那么能耗也會增加 17% 左右,整車電池成本也會成番的增加。


因此,不考慮電池的能量密度,盲目的通過增加電池重量來增大續航里程,會導致能耗的增加,載人空間和可載重量的減少,整車成本的大幅度增加,實際上是不利于電動汽車發展的。動力電池的總體發展方向,還是應該在滿足安全性、壽命等指標的情況下,大幅提高能量密度。其實能量密度的提高也會帶來成本的大幅度降低,因為對于制造同一個大小的電池來說,電池瓦時數高了,每瓦時的制造成本就會降低。


我這里給出了一個對應關系,如果單體的能量密度達到 300 瓦時/公斤,續航里程設計到 300 km 比較合理,400 就對應 400 續航里程;如果哪一天電池單體做到 500 瓦時/公斤,我們設計續航里程 500 km 的車也就比較合理了。


如何實現電池比能量的提高呢?近期的目標是高鎳三元正極、硅碳負極實現 300 瓦時/公斤;中期(2025年)目標是基于富鋰錳基/高容量 Si-C 負極,實現單體 400 瓦時/公斤;遠期是開發鋰硫、鋰空電池,實現單體比能量 500 瓦時/公斤。


這個路線可不可行?從目前的技術條件來看,除安全性還不太確定外,在 2020 年電池比能量達到 300 瓦時/公斤是沒有任何技術風險的。


根據計算結果,400 瓦時/公斤電池要求正極容量達到 250 毫安時/克,負極容量達到 800 毫安時/克,這個要求也都有明確的材料體系相對應,比如富鋰錳基可以達到 250、280 甚至 300 毫安時/克的容量,硅碳達到 800 也沒問題。所以,大家普遍認為的近中期技術路線總體上是可行的。遠期目標中,理論上鋰硫、鋰空達到比能量指標沒有任何問題,比如鋰硫的理論比能量為 2600 瓦時/公斤,鋰空氣在不考慮空氣質量的情況下,理論比能量可以達到 11000 瓦時/公斤,與汽油接近。如果我們只實現理論能量密度的 20%,也可以達到 500-600Wh/kg,這就是為什么大家都將鋰硫、鋰空作為未來開發重點的原因。


這兩個體系到底可不可行呢?現在就車用動力電池領域來分析一下:如鋰空,是采用金屬鋰作為負極、空氣中的氧作為正極的一種電池體系,當然氧電極需要多孔碳作為反應載體。通過這么多年的發展,應該說在催化劑的選擇、機理研究、電解液選擇、可充性等方面已經取得了很大的進展,但是無論怎么進展,我覺得作為一個應用產品,我們必須要面對以下幾個問題:


第一,它是一個開放體系,這是和鋰離子電池不一樣的,鋰空要用空氣中的氧,而空氣中含有水,鋰會與水反應,既要透氧又要防水,這是一個很難解決的問題。鋅空電池為什么沒有得到成功發展就是因為這個問題。90 年代我們做了很多工作,包括開了一個小公司要將鋅空電池產業化,但最后夭折了,遇到最大的問題就是水的控制。鋅空電池采用堿液為電解液,如果像上海這幾天空氣這么高的濕度,堿液就吸水,電池會「湮死」;如果在新疆這種比較干旱的環境,堿液就失水,電池就「干死」。這個問題一直沒有很好的解決辦法,現在鋰空也遇到同樣的問題。


第二個問題是氧的催化還原。氧的反應速度是非常慢,要提高氧的反應活性必須采用高效的催化劑,現在的催化劑都是貴金屬。因此,必須發展高效廉價的催化劑,而這一直是制約燃料電池發展的一個短板。


第三個問題是金屬鋰負極的可充性。其實鋰二次電池早于鋰一次電池而出現,20 年代 60 年代最先出現的不是鋰一次電池,而是鋰二次電池。大家知道世界上曾經有一個著名的電池公司—加拿大 Moli 公司,為什么這個公司現在基本上不復存在?主要的原因就是它們在上世紀 80 年代率先推出了鋰二次電池,由于鋰枝晶生長導致電池爆炸,在市場上將用戶炸傷了,電池全部召回,從此一蹶不振,所以鋰的可充性一直是一個問題。到現在為止,國際上一直沒有很大的進展,短時間想解決這個的問題,也是非常難的事情。


另外一個問題是,它的放電產物是鋰氧化物,將固態的鋰氧化物再催化分解成氧和鋰,多難啊。


我總結一下,鋰空電池聚集了多個電池體系所遇到的最難的問題,包括鋅空電池、燃料電池、鋰二次電池,此外還有一些自身特有的問題。因此,我認為鋰空電池的實用化希望非常渺茫。


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