中國科學院院士張鎖江：材料革命將推動電池儲能革命

2017-09-12 15:57:32 新材料在線　點擊量：評論 (0)

8月26日，中國科學院院士張鎖江在2017動力電池新材料技術與發展高峰論壇上作了題為《動力電池系統的機遇與挑戰》的精彩報告。他指出，社會可持續發展戰略對動力電池技術的突破提出了剛性需求，現今動力電池行業得

在高容量電極材料方面，目前需要重點突破第三代動力電池電極材料，這是針對電動汽車和規模儲能用的。高電壓高電容正極材料的研發策略是材料改性結合電解液優化，包括濃度梯度材料＋包覆、摻雜改性；人造CEI膜或添加劑原位構造CEI膜。高容量高穩定性的硅碳負極材料的問題解決策略則是SiOx顆粒可控生長、碳原位包覆；SiOx/C納微復合多級結構的構筑。硅球與碳納米管整體電極的研究，解決了硅膨脹和導電性差的問題；硅碳負荷微球材料的容量高、循環穩定；硅碳三維網絡結構則進一步提高容量至1100mAh/g。

高壓電解液方面，可以看到電解液現存的問題是適應性差、種類繁多，我們近期目標是開發高壓、高安全電解液，把離子液體作為添加劑。中長期目標是開發出一種兼容性強、適應更多種類電極材料的電解液。高壓安全電解液的研究工作很龐大，是一個系統的工作。我們的思路是通過研究離子液體構效關系，開發離子液體添加劑、離子液體共溶劑、離子液體全溶劑，再研發出新一代離子液體電解液，最后實現產業化。

我們從2007年開始研究離子液體電解液，到2016年做到了規模化生產。最新的一個工作是開發了4.95V高電壓離子液體電解液，10次循環后效率大于99.5%，200次循環容量保持率為95%。我們把它做成了鎳錳酸鋰/鈦酸鋰全電池，性能還不錯。送到多個第三方檢測機構檢測，結果顯示比國外的電解液還要好一些。目前離子液體及離子液體電解液已經國內外多家使用。

電解液溶劑的設計開發也很重要，EC（碳酸乙烯酯）、DMC（碳酸二甲酯）是電解液中重要的溶劑。它的反應是離子簇催化的過程，這些過程沒有辦法都用實驗來觀察到，所以我認為要想辦法在“大”的條件下去模擬出來，如今是做到了。然后是突破了反應器放大的難題，我們用兩年時間優化工藝，大幅降低了工藝系統的能耗，解決了反應器內氣液分布不均的技術瓶頸，實現氣液100%轉化，也降低了后續處理的能耗。另外，我們希望能把年產7萬噸的離子液體均相催化DMC新工藝的工地建設起來。

回到動力電池本身，這個系統里面包含了非常多東西，需要解決幾個“一致性”的問題。我認為要大力提升生產信息化、智能化水平，構建大數據全生命周期管控體系，具體需要實現原料一致性、工藝一致性、環境一致性。比如材料中帶芯片，這樣的智能材料可以實時響應，全生命周期跟蹤，大數據處理。所以要把電池管理系統（BMS）的開發工作做起來，采用數值模擬強化物質、熱、電、信息一體化管理系統，實現熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警管理。電池系統的信息流非常重要，要建立系統方法來揭示物質、能量、信息的耦合關系，支撐電池系統創新。電池要有BMS進行實時監測，實現單體電池電壓、溫度、充放電電流的實時監測與控制優化算法精準地對電池組SOC、SOH狀態進行估算和監控。更重要的是實現電容器跟電池的耦合，通過耦合構成一個大的系統，大幅度節能。

第二個是超電容，超電容主要是要提高它的電壓。我們開發了凝膠電解質，多種形式的炭復合材料可以發揮其高比電容的優勢。摻氮活性炭雙層電容器能量密度可以達到130Wh/kg。而準固態鋰離子超電容的內阻小、電化學窗口達4V，最大能量密度可以達到146Wh/kg，最大功率密度可以達到22.6KW/kg。

第三個是儲能，我們國家的儲能行業正處于高速發展的階段，但是一般儲能用電池的能量密度都很低，而鋰離子液流電池的能量密度可達50-100Wh/kg，或許能成為新一代的規模儲能技術，目前也正朝著商業化發展。在鋰硫液流半固態電池方面，我們設計和制備了具有“自穩定”特性的電極漿料，流體電極穩定性高、流動性高、黏度低、電導率高、倍率放電性能突出，能量密度可達400Wh/L。流體電極循環性能方面，1C倍率循環1100周后容量保持51%，穿梭效應得到抑制。我們還支持間歇流動放電和連續流動放電，也可以長時間流動充放電。

三、未來展望

最后講講未來的展望。

不得不說，動力電池迎來了大發展。首先是高能化，從現在的200Wh/kg、300Wh/kg的目標朝未來500Wh/kg發展，甚至會更高。其次是安全性，電解液從液態、凝膠往全固態發展。還有快充化，從現在的幾十分鐘到幾分鐘，充電時間越來越短。我認為這些目標一定能實現。

而儲能電池市場的潛力非常大，國家正在發展清潔能源，儲能是能源革命的關鍵支撐點。2030年中國風光儲能市場空間有望達到1萬億元。我們在實驗室開發了一個MW（兆瓦）級鋰離子液流儲能電池示范工程建設，將來希望達到10MW、100MW級別。

另外，我們要關注“后鋰電”時代的幾種電池。燃料電池需要提高能量轉化效率，重點解決催化劑中毒的問題。鋰-空電池則要解決“鋰枝晶”問題，其中電解質是關鍵。到了2025年左右，金屬鋰電池或許會迎來大發展。

說了這么多，電池回收也是非常重要的。我們國家的鋰、鈷、鎳大多依賴進口，其中國內鹵水資源中的鎂鋰比高、開發難度大，云母礦品味低；而鈷的含量僅占世界的1.03%，消耗卻占全世界總量的50%，95%以上依賴進口；鎳含量僅占全世界總量的3.0%，消耗卻占全世界的20%以上，進口率高達60%。電池回收是可持續發展的必由之路。

另外，鋰鹽的供求關系需要高度重視。數據顯示，我國鋰總儲量排名世界第二，但鋰產量僅占全球的5%以下。其中2015年碳酸鋰需求量為7.9萬噸，大部分是進口的。預計2020年世界碳酸鋰總需求量為46萬噸，我國需求總量將達到18萬噸。我們有必要創新鹽湖提鋰新工藝，比如沉鋰母液未能有效利用，直接外排造成了浪費，另外，高純碳酸鋰生產技術開發也是當前國際難點，這些情況都要改善。

總結起來，材料革命將推動電池儲能革命。從材料到電池的革命，將改變世界、改變生活。要實現這個目標，我們必須構建電池儲能的研發大平臺。我在想，深圳是否能建成一個真正的電池國家級平臺？將大學、研究所、產業界的優勢力量集成，共同搭建這個大平臺，滿足國家能源領域戰略需求，體現國家意志、承擔國家任務。這將成為國家創新體系的核心力量。

今天講了這么多，到底如何迎接新挑戰和新機遇呢？歸納如下：認識大勢，變革觀念；需求牽引，協同創新；總體規劃，重點突破。

最后我想用彼得˙德魯克的話做結語，“我們無法左右變革，只能走在變革前面”，希望跟大家一起創造美好的未來，謝謝大家。

原標題:動力電池系統的機遇與挑戰