6月20日，由中国化学与物理电源行业协会主办的第十一届“中国国际电池技术交流会”在深圳会展中心开幕。本次交流会以“动力电池和储能电池”为主题，重点关注了电池应用领域。全球50多位电池业界顶级专家亮相交流会并发表了主题演讲，来自50多个国家和地区的800多名行业专家、学者和企业家与会。图为来自北京大学的潘锋教授在CIBF2014中国国际电池技术交流会上发表主题演讲。

　　潘锋：
　　我今天的报告主要包括三个部分。第一部分，介绍一下北京大学的新材料学院；第二部分，基于我们电池设计的基础来论述三元材料的基理；第三部分，与大家分享三元材料的全面理论分析和计算。
　　应市长市政府的邀请，希望北大支持深圳的新材料和新能源的发展，所以三年前北京大学在深圳研究生院成立了新材料学院。主要聚焦清洁能源材料，特别是电池，我们大概80%的力量集中在研究电池材料的改进，以及下一代电池的概念、材料和体系的发展。
　　我们模仿国外大公司的做法，对新材料，特别是电池新材料进行研发，包括材料的设计、可控制备评测新材料，以及产业化的维度。我们在深圳的特色是面向产业，跟北大的本部有所区别。
　　我们最近建了一个工业研究院模式，有模拟计算、可控设备及基础团队的建设，所以我们想建设一个从材料评测一直到电池评测的系统。我们目前处于建设材料的初步阶段，并自建了ALD，从原位可以看SAS，对电池的电化学的测量以及工程的测量。
　　深圳的动力电池发展迅速，也是动力电池产业聚集地，坪山13公里将建立成一个新工业基地，所以我们在这个地方成立了工业研究院，对深圳市的动力电池产业和电动汽车起技术支撑和服务作用。基于这些，我们联合深圳的八家企业拿到了一个创新工程，其中一个重要的项目是到2015年实现150Wh 及180Wh每公斤的电池组，我们是其中的技术支撑单位。目前的材料来看，能够符合要求的只有三元材料和三元改性材料，因此我们对三元材料的基理有了更深刻的认识。任何一个三元材料球状是由大概200纳米构成的小颗粒，如果做成电极在电镜下观察会看到有些碳黑被覆盖了，有些碳黑没有被覆盖，加一些碳管后可以把颗粒跟颗粒连接，把极化性能降低一些。我们设想如果这个大颗粒，像我们在一个地方针灸一样，三元材料就可能会引起一些相变，从而引发电池安全性问题。高电压情况下也会引发相变。如果将三元材料不是点接触，而是像绳子一样连起来大面积接触，然后把这些碳管网起来，会看到在这上面会形成小颗粒与小颗粒之间的连接，然后大颗粒和大颗粒连接，导致的结果是电阻的阻抗降低两个数量级，这种情况下如果把电压提高到4.8伏，真正让电池颗粒感受到的电压和实际加的电压基本相等，在这种情况下它的释放电可以达到250伏左右。所以这时可以把电池真正的容量很好的释放，减少相变。
　　我们发现高电压到450以后，碳管也可以作为活性物质。大家都在想怎样提高电池的活性，所以我们还做了倍率性能实验，大概15%左右，这时看C-V曲线，有很多峰叠加在一起，这是颗粒界面的不均衡造成的，加了碳管后，电压从3.7伏左右开始升高，而后面是一个缓慢的过程。我们在将三元材料极化后，可以看到它的动力学行为。
　　我们有较强的团队做材料基因组计划，现在深圳市政府超算中心给我们1500个核，我们自己买了500个核，所以我们有2000个核的计算。所有的三元材料，实际上在3.8伏到3.9伏之间，只有0.1伏到0.2伏的区别。此外我们还可以计算容量，容量在140时只增加了0.1伏，这跟它的热力学和动力学有关系。
　　镍、钴、锰的扩散不一样，扩散最高的是锰，扩散也受倍率问题的影响。从结构和性能的相关性来看，在532的材料里面，离镍最近的大概有2.79的距离，占了约50%，所以我们提出问题，在动力学上是不是离镍最近的锂先跑掉？我们进行了计算，基本上能够确认，但从时间上很难测出到底哪个锂先跑出来。
　　我们也论证研究了表面，我们把材料弄出来通过电镜观察，发现三元材料最大问题是在第一次充放电过程中会产生二价锰，实际上有一个100多纳米的二价的锰，如果要实现三元材料长时间的安全性，就一定要防止二价锰原子暴露在电解液里溶解，一旦溶解就会产生氧化镍，这样就会一直从表面破坏到里面。我们的包覆材料的好处就是它会产生一些S2价膜，所以我们哈佛回来的一个教授自主搭建了ALD的系统。
　　我们系统地研究了锂离子扩散的化学象图。我们先使用理论计算，再用电化学方法进行验证。理论技术的基本思想是要找出一个比较可靠的扩散模型。
　　我们现在系统的研究发现三元材料的三个元素分配以后，一般从高温开始到外延产生扩散。三元材料的配比变化大概在一个数量级左右，就是它的扩散系数。理论上镍的含量越高扩散系数越大，锰的含量越高，扩散系数越小。从温度系数方面可以看到42的温度系数比其他的要大。
　　最后讲一下我们的电池材料。我们希望跟深圳现有的电池材料企业进行深度合作，他们提出来不太理解的问题，希望通过我们进行计算、测量等这些基理的研究发现突破口，实现帮助产业化和联合产业化。我们最重要的任务就是基础研究，希望可以在新型电池的研究中发现具有新概念的革命性的材料，这是我们平时在做的。我们现在的团队接近100人，包括研究生、工程师、教授、博士后等交叉学科不同背景的研究人员。
　　谢谢大家。
 

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