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中国工程院院士吴锋:锂电池7大前沿技术前瞻
日期:2019-07-20   [复制链接]
责任编辑:sy_zhangxiaoxiao 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
编者按:现在能源面临转型的挑战,动力电池也在向固态化时代转变;中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。

“动力电池正迈向固态化时代,现在硫化合物和聚合物的结合还是比较看好的,但是我总觉得还是一步一步来,从准固态向固态发展。”吴峰强调。
 
“到2020年国家对于动力锂离子电池能量密度的指标是300Wh/kg,中国动力电池企业急需创新发展,随着国家补贴的退坡,电池行业将面临新一轮洗牌。”中国工程院院士吴锋研判。

技术进展方面,到2020年国家对于动力锂离子电池能量密度的指标是300Wh/kg,现在一些电池企业已经初步达到了这个指标,还在进一步提高综合性能。目前,北理工吴锋团队从电池材料到电池系统以及对新型材料的技术研究都在不断进步中。
 
正极材料方面,其将新一代高比能锂离子电池正极材料的研发重点放在了富锂锰基材料方面。
 
“北京大学等单位在高比容富锂锰基材料研究方面取得了突破。我们团队在仿生膜设计,通过界面保护提高材料稳定性,构筑选择性锂离子通道,提高材料倍率性能方面也进行了一系列的研究。” 吴锋表示。
 
新型负极材料方面,团队进行了无集流体,无黏结剂电极方面的尝试,可以提供更多电化学位点,从而提高电极比容量。
 
在锂硫电池正极材料方面,其利用双“费歇尔酯化”的模块组装方法,将分散的导电碳组装为椭球型的微米超结构,显著提高了正极单位面积的硫载量,电池能量密度达到545Wh/kg。
 
在动力电池安全性方面,团队从材料入手,包括研制出温度敏感电极、陶瓷高强隔膜、安全电解质等显著提高了电池的夲征安全性。还研制出基于纳米TiO2与离子液体的新一代凝胶固态电解质,具有高室温电导率与显著的安全性(1300℃/60s不燃)。
 
在系统安全性方面,基于其提出的电池安全阈值边界的识别与控制概念,建立了相关的安全状态的数学模型,通过建立这个数学模型,可以将量化的安全度实时显示在电动汽车仪表盘,给司机提供可视化的安全预警。
 
在动力电池回收再生和再利用方面,我们研发出天然有机酸绿色高效回收技术,钴、锂、镍的浸取率达到92%以上。把回收过来的材料再做成正极,并符合正极材料的要求,这形成一个内循环,从废旧正极的回收到正极材料的再生。
 
外循环方面,像废旧电池的负极,由于碳价格不高,团队将碳回收,做成了碳吸附剂,可以用来吸附磷,高达588mg/g,把这种吸附剂放在太湖、滇池等严重磷污染的湖水中,能够处理污水,再把处理后的含磷吸附剂,放到土壤里,作为磷肥缓缓释剂,形成一个外循环,因为这个需求量也很大。
 
吴锋认为,在动力电池技术发展方面,今后主要还是集中在提高安全性、提升比能量,提高寿命、控制成本方面,当然寿命和成本本身也是密切相关的。
 
高比能正极材料方面,目前低钴是大趋势。富锂锰基是下一代高比能锂离子电池的主要正极材料,因为在研究当中发现,在这个体系里,氧参与了反应,也就是说从单电子上升为多电子反应,为锂离子电池能量密度的大幅度提升提供了材料基础。
 
新型负极材料方面,硅碳复合还是研发重点,纯硅还要再远一点。负极材料在纳米化方面还有很多研究的空间。
 
电解质方面,作为影响锂离子安全的主要因素之一,电解质在向固态化方向发展,目前还达不到全固态,北理工团队研制出新型仿生蚁穴结构的新型离子凝胶电解质,在锂金属表面形成保护层,可有效抑制锂枝晶生长。电池材料在仿生方面的研究有利于电池本身的绿色化。
 
隔膜方面,动力电池隔膜需要高稳定性,在保证强度的基础上,有待进一步轻质和薄型化。
 
“动力电池正迈向固态化时代,现在硫化合物和聚合物的结合还是比较看好的,但是我总觉得还是一步一步来,从准固态向固态发展。”吴峰强调。
 
动力电池梯次利用方面,大型储能系统所需的管理电池是动力电池数量的几百倍甚至更多,针对于退役动力电池的一致性和先进的电池管理控制软件系统提出了更高的要求和挑战。
 
在电池管理控制系统技术不成熟的前提下,退役动力电池用作移动应急电源等小型储存系统更为合适。按照现在的技术,马上把电动汽车电池退役之后用在太阳能和风电的储能,从小到大,如何保证电池的均匀性和电池系统的安全可靠性,还有待商榷,需要认真研讨。根据3R&3E策略,采取多种方法回收有价金属,降低各类污染,日本在这方面有许多成功的经验。
 
吴锋表示,在保障安全性前提下,继续开发高能量密度、功率密度、低成本、高可靠性的动力电池体系,建立完整的动力电池梯次利用和电池回收再利用体系,将加快推进新能源汽车发展。
 
与此同时,技术发展的不确定性,意味着可能随时被颠覆;中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。
 
吴峰指出,一个真正从基础研究做起来的颠覆性创新,并不是一蹴即成的,不能急于求成,有时候这个事情要做五年十年或者十五年。美国能源部最近对动力电池提出了更高的性价比指标,从整个材料体系和电池体系来讲,国内都要有些创新性的思路。
 
原标题:吴锋:锂电池7大前沿技术前瞻
 
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来源:高工锂电技术与应用
 
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