黄学杰:创新驱动锂离子动力电池可持续发展
发布时间:2018-05-22 13:32:00
关键词:CIBF2018

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5月22日,CIBF2018 第十三届中国国际电池技术交流会展览会在深圳会展中心开幕。中科院物理所/大会秘书长黄学杰在技术交流会上发表主题演讲。以下是演讲正文:


很荣幸再次站在CIBF报告的位置上,非常感谢大会的安排,受刘博士的邀请,我很高兴有机会和大家分享锂离子电池方面的工作。


我本人来自中科院物理所,固态锂离学课题组,在这方面有40年的工作经历,我本人88年开始进入这个组,进入电池的研究领域。锂离子电池快速获得发展,我想我们应该非常幸运,能够从基础研究一步步走向产业化,不仅是在3C产品,而且在储能的产品,在电动汽车获得快速的发展。


政策的影响力非常大,因为早晨相关专家已经讲到政策。政策一方面让产业快速发展起来,今天的展会如此之宏大,有一千多人来参加这个会议。从另外一个角度,产业的发展确实是要求电池性能更好,价格更便宜。过去为了提高电池的比能量,很多人是照着这个路线图在走,因为前面有一个补贴,有“胡萝卜”牵着,后面把大家基本上都撵到一条路上去了,都撵到高镍的三元材料加硅碳材料,把大家撵到一条道上,日子也不是太好过。经过大家的努力,行业在快速发展。今天咱们这么多人来,说明新能源汽车在发展,比能量也在提升。现在有两个补贴的要求,一个是比能量的要求,当然还有一个是测性能的要求。


这里面真正的挑战,虽然大家还是和嘉年华一样的,但是我们知道问题在哪儿,电池的价格快速下降,原材料的成本在往上走,无论是锂电的价格保持高位,还是钴和镍、石墨的价格增长,都会给企业巨大的压力。一些企业销售的电池,前几年比较粗放,现在都到了要还债的时候,这块的压力不小。补贴之后带来的产业链上的资金紧张,我想大家也能够感受到。所以说痛苦并快乐着,这时候有什么样的对策?新能源汽车必然要往前走,这个产业肯定会往前发展,现在到了转折之年,2018年、2019年是转折之年。在这种转折的时候,越是要守住安全和可靠性的底线,一个星期起几场火烧死几个人,这种事不能老干,这肯定会有问题。可靠性,原来说是8年十几万公里,现在估计人家接受不了,人家要求十年几十万公里,我估计是一个基本的要求。做不到就去换电池。我还是建议安全第一,寿命第二,第二之后的才是低成本,才是去提升比能量。产能过剩,整个行业转折的时候,产能的利用率不到1/3,这时候更要反周期的增加研发的投入,增加先进产能的建设,果断的去淘汰落后的产能。我想在这里面无疑是创新非常重要。我简单的汇报一下我们对创新的理解。


材料方面有没有创新?正极、负极、隔膜、电解液,锂电池有太多的材料选择,无论是正极还是负极,万幸的是锂电池有这么多材料的选择,如果都像铅酸、镍铅一样只有一种正极、一种负极,我估计新的企业的机会就会更少了。现在还在快速迭代往前发展,感谢锂离子电池材料体系如此之丰富,也给做研究的人提供了很好的题材。SCI上面就是一万大几千篇的论文,培养了不少教授、博士,我想这是一个重要的事情。这么多的材料,奔着高能量走到高镍三元,我们在思考这里面有没有其他的路径。它的热导致钴镍涨价,是否有别的选择?三元,协同效应,让它有高的比能力,过得去的循环性能。还有镍、钴、铝,提高比能量的路径有两条,能量等于它的工作电压乘以它的容量。等固态电解质出来,我估计会比较少。再等一等,我们能不能用氟化的电解液。其实更应该考虑,在现有的产业链体系中,用现在的碳酸脂的电解液怎么改进它的性能?这种电解液里面,把材料做好了,把电极做好了,解决55度的高温循环问题,当它的循环性能超过三元,在同样的碳酸体系里面,你有什么理由不考虑?那时候的三元材料有可能变出二元,我们一直想减钴,我想这是一种可能性。


大家都在做硅碳材料,因为硅和锂形成合金,有比较高的容量,现在用400-450,现在报800-1000也有的是,这里面有没有其他的选择?取代石墨的努力,1996年就有公司报告,但是NTT的一个实验室看到做氧化锡的情况,20多年前的时候我们就搞清楚这里面基本的道理,你把它颗粒做得越小,循环性能越好,这里面的机制是取代反应和合金化的反应,可以看出来,这里面很清楚的形成了纳米合金,索尼试图把它产业化,由于种种原因停下来了,这个材料有很好的优点,可以快充,比硅材料有更好的循环性能。


前两年我们把它和石墨的材料进行负荷,可以看到当它的尺寸足够小的时候,这个材料展示出良好的稳定性,特别是低温下面,零下20度,石墨还能不能充电,不能充电了,因为我们看到右边的图,就是石墨到零下20度的时候,你给它做充放的时候容量很低。如果是锡的材料,它的复合材料可以满足低温充电的要求。近期的进步,你可以做成很好的材料。你不要做成一个空壳,应该做成实心的壳,充电的时候能够膨胀,放电的时候能够收缩,几十周以后壳还在,可以维持很好的效率,有良好的性能。快充在今天也是很重要的话题。


用合金材料会碰到一个问题,首次容量损失比较大,上面的小红点是第一次,那么多的锂充进去,到后面才能把70%的锂释放出来,这里面有没有补偿的可能性,损失这么多锂怎么办?这里面可以用一些简单的办法去补锂,比如硫化锂,做锂电池的就知道,容量很高,少量的硫化锂,比其他的都要高很多。把这种材料做起来以后做成碳的复合材料,把它加一点碳就有活性,大概有1000多毫安时每克的容量。把这种材料涂到电极上面,这边是拿磷酸铁锂做例子,第一步拿来补偿,石墨10%的容量损失。大家说我们不关心石墨,我们现在做硅碳,硅碳的情况怎么样?石墨的电池刚才讲了,10%多给你补回来了,换成硅碳也可以这样做,你算好了,把正负极的比例,活性的容量的比例设成1:1,这种情况下,你加上合适的硫化锂,如果没有补锂的材料,我们知道硅碳的负极一次、一次容量损失,会让你的电池容量快速下降,但是加了以后,200周,几乎看不到变化,当然还有其他的好处。时间关系不细讲。


这些问题是可以解决的。在高倍率下也有更多的性能。


材料在进步,大家在想办法,电池结构还有没有创新?大家知道小圆柱的也在跑,方型、铝壳也在做,软包的大家也在做,也有一些创新。大家嫌18650太小,把它变长、变粗,变成21700。各有各的特点,车子做了不少。18650做的,软包做的,这个更紧密一点,方壳电池做起来的电池包。国家做了一些标准老推不下去,是因为尺寸太多了,想把尺寸减下来,各有各的说法。很多年前我们想,除了在北京做材料研究,我们在这附近几十公里的南沙在做工艺和装备的平台,想改变电池的设计。这里面做的事情可以给大家汇报一下。方壳电池,因为对动力电池来讲,方壳电池还是占最大的比例,不管其他的同行有多少不同的意见,我个人仍然认为方形铝壳的电池具有最强未来的竞争力,我想在液体的锂离子电池这段,将来到固体再讲固体的事情。


大家普遍喜欢卷绕结构,国外比较多的是两头传件的结构,国内比较多的是一头的双接饵的结构,纯接饵的结构,导流和导热效果会更好,制作的过程更复杂。国内多采用一头的两个窄接饵的结构,导流、导热会差很多。不信可以看看它的电池,拿红外的相机拍一下,那个地方是最大的。看到这些问题,就想到创新,我们推叠片的结构,为什么推叠片结构?因为环绕在两侧还是有硬伤,可靠性在长期寿命这边还是有缺陷。叠片大家都知道,在设计上要考虑,正极电导比较低,就要采取宽的接饵,把它整个跟客体焊成一体,解决它的导流、快速导热。负极是因为纯的电导本来就很高,涂上石墨,电导更高,半接饵就能解决问题。这样做下来,你工作的电池就找不到热点,就接饵那个地方不再是一个热点。还有一个好处,热可以快速的导出来,导出来之后可以做非常致密的Pack结构,这种Pack结构的好处是热靠金属给它导出来。咱们学过初中物理就知道,气体导热是最慢的,软包拿小风扇摇,不会很快导热,液体的稍微好一点。但是最有效的是金属固体的导热。把它做成有效的设计,就做成致密的Pack结构,就可以和它比能量密度,现在在很多应用的时候,这对很多车辆无疑是重要的。但是三元和磷酸铁锂还是咬着。大家都讲三元,所以我每次在会上都要讲几句话。在比能量上,Pack的水平上,两者基本上不分高低,不信就看公告。体积能量密度上,我终于找到了一个机会,我就跟软包的22WH三体比Pack的密度,今天拿90AH的电池比,比它高40%多。所以说密度上你是可以赢过它的,所以做铁锂的人还可以高一点。


随着负极技术的进步,今天商品化铁锂的单体是180,整车的电池包是150,我想很快会奔着160、170去,还有进步的空间。这是讲的材料技术的进步。制造这块也有进步的机会。


虽然我还没有看展会,买各种设备的都有了,今天怎么突破,最后做出电池,这里面有没有可变的空间?我们也在思考这种问题。很多人不愿意做叠片,主要是觉得卷绕容易,切片很麻烦,怎么解决切片问题?差不多5年前就在思考一个办法,机械式的切片,磨损很厉害,噪音很大,尘土飞扬,这个问题怎么解决?工研院开发了激光的飞切技术,激光是一束光,做成需要切割工件的形状。这样做下来的结果,你可以快速的运转,你不需要停顿的情况下,一片、一片切下来,所以现在是一分钟切200片,而且没有噪音。毛刺非常少,而且不需要每切10万片就修一次毛刺。这个技术已经转让给企业,形成标准化的设备,运作得非常之好。


焊接,这是另外一个激光技术。过去激光头是聚焦在焊点的位置,现在要让它摆动起来,过去聚焦到一个位置,你稍微有点偏,你的焊接效果就会比较差。摆动起来不仅仅让它有一定偏差还可以焊接好,更多的还是有扰动效应。我后面会讲这个结果。能够减少气孔。这种焊接的技术用到全自动的焊接上,它用到这种设备上面就能够实现更高的质量,更少的气孔。这是拿CT做的。同样在工研院的平台上,我们可以看到有这种精密的分析设备,可以分析到焊接的效果,也可以分析到电池的结构,在北京有更多的分析设备,现在开放给行业服务。欢迎大家一起努力,我们能够把电池做得最好。


一定是安全第一,寿命第二,其他的东西往后摆。这是我想和大家分享的内容。谢谢大家!


提问:关于硫化加锂,锂放上去上面还是有一部分硫,对你的自放电有没有影响?


黄学杰:碳酸里面硫的溶解度很低,第一周过去以后,硫留在正极里面了。


提问:你能不能评价一下后电极,现在100个微米到150微米以上,你一直谈怎么增加容量,现在我把电极做厚一点?


黄学杰:这有两个条件,一是倍率和低温性能能满足应用的要求。二是你这个极片厚了以后还有足够好的质量。三是做卷绕的人不能做厚电极,因为做厚电极一定是叠片。


提问:您的激光切割,以前公司的激光切割有很大的问题,激光把底下的金属片熔掉,就会在岔口上有融的小珠子。


黄学杰:这是过去的激光,波长比较长,频率比较低。现在波长越短、频率越高,热效应基本上就不明显了。


(根据速记整理,未经嘉宾审阅)


稿件来源: 电池中国网
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