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观点 | 艾新平:下一代动力电池关键材料与技术

9月26-27日,中国电动汽车百人会在上海安亭举办了产业培训(华东班)第一期课程,本期主题是“电动汽车核心技术突破与创新”,中科院物理所研究员黄学杰、武汉大学教授艾新平、华霆动力总经理周鹏、上海电驱动副总经理张舟云、精进电动创始人余平、上汽捷新动力电池系统有限公司副总工程师朱玉龙、新能源汽车动力系统专家王英、华域汽车电动宋玉环等学者专家以及企业代表对动力电池核心技术及发展趋势、先进驱动技术发展及实践成果做了详细深入地讲解。本文为武汉大学教授艾新平的课程内容。


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在分析动力电池的技术发展路线之前,首先讨论一下电池比能量对电动汽车发展的影响。    

电池比能量是决定车续航里程的重要因素,因此决定了驾驶的便利性,对于电动汽车的市场接受度具有重要影响。当然像特斯拉那样,通过增加电池装载量也可以实现续航里程的大幅度提高,但这种做法我本人并不赞同。这里有一个简单的计算:对于能量密度只有120瓦时/公斤的电池系统来说,如果我们将车的续航里程设计为150公里的话,电池总重只有100多公斤,电池成本按照目前价格也就2万多元;但是如果我们非要将车续航里程设计为300公里,整个电池系统的重量就变成了340公斤。对于一个最经济性的轿车来说,800公里的自重对300多公斤的电池,我想这个电池重量还是过重了。再来看看能耗,由于大多数时候人们并不需要用到这么多电池,这就是为什么特斯拉在新加坡不被人们接受并遭到罚款的原因,因为这种车并不环保,增加能耗也是增加了排放。此外,过多电池还会造成整车成本的翻倍。假设按照我们现在的规划,2020年电池系统能够达到200瓦时/公斤,单体达到300瓦时/公斤以上,那么将车续航里程设计为300公里就是很正常的一个配置。但是如果说基于200瓦时/公斤电池包非要将车设计到500公里,那么能耗也会增加17%左右,整车电池成本也会成番的增加。

    因此,不考虑电池的能量密度,盲目的通过增加电池重量来增大续航里程,会导致能耗的增加,载人空间和可载重量的减少,整车成本的大幅度增加,实际上是不利于电动汽车发展的。动力电池的总体发展方向,还是应该在满足安全性、寿命等指标的情况下,大幅提高能量密度;其实能量密度的提高也会带来成本的大幅度降低,因为对于制造同一个大小的电池来说,电池瓦时数高了,每瓦时的制造成本就会降低。

我这里给出了一个对应关系,如果单体的能量密度达到300瓦时/公斤,续航里程设计到300Km比较合理,400就对应400续航里程;如果哪一天电池单体做到500瓦时/公斤,我们设计续航里程500Km的车也就比较合理了。

如何实现电池比能量的提高呢?近期的目标是高镍三元正极、硅碳负极实现300瓦时/公斤;中期(2025年)目标是基于富锂锰基/高容量Si—C负极,实现单体400瓦时/公斤;远期是开发锂硫、锂空电池,实现单体比能量500瓦时/公斤。

这个路线可不可行?从目前的技术条件来看,除安全性还不太确定外,在2020年电池比能量达到300瓦时/公斤是没有任何技术风险的。

根据计算结果,400瓦时/公斤电池要求正极容量达到250毫安时/克,负极容量达到800毫安时/克,这个要求也都有明确的材料体系相对应,比如富锂锰基可以达到250、280甚至300毫安时/克的容量,硅碳达到800也没问题。所以,大家普遍认为的近中期技术路线总体上是可行的。远期目标中,理论上锂硫、锂空达到比能量指标没有任何问题,比如锂硫的理论比能量为2600瓦时/公斤,锂空气在不考虑空气质量的情况下,理论比能量可以达到11000瓦时/公斤,与汽油接近。如果我们只实现理论能量密度的20%,也可以达到500-600Wh/kg,这就是为什么大家都将锂硫、锂空作为未来开发重点的原因。

    这两个体系到底可不可行呢?现在就车用动力电池领域来分析一下:如锂空,是采用金属锂作为负极、空气中的氧作为正极的一种电池体系,当然氧电极需要多孔碳作为反应载体。通过这么多年的发展,应该说在催化剂的选择、机理研究、电解液选择、可充性等方面已经取得了很大的进展,但是无论怎么进展,我觉得作为一个应用产品,我们必须要面对以下几个问题:第一,它是一个开放体系,这是和锂离子电池不一样的,锂空要用空气中的氧,而空气中含有水,锂会与水反应,既要透氧又要防水,这是一个很难解决的问题。锌空电池为什么没有得到成功发展就是因为这个问题。90年代我们做了很多工作,包括开了一个小公司要将锌空电池产业化,但最后夭折了。遇到最大的问题就是水的控制。锌空电池采用碱液为电解液,如果像上海这几天空气这么高的湿度,碱液就吸水,电池会“湮死”;如果在新疆这种比较干旱的环境,碱液就失水,电池就“干死”。这个问题一直没有很好的解决办法,现在锂空也遇到同样的问题。第二个问题是氧的催化还原。氧的反应速度是非常慢,要提高氧的反应活性必须采用高效的催化剂,现在的催化剂都是贵金属,因此,必须发展高效廉价的催化剂,而这一直是制约燃料电池发展的一个短板。第三个问题是金属锂负极的可充性。其实锂二次电池早于锂一次电池而出现,20年代60年代最先出现的不是锂一次电池,而是锂二次电池。大家知道世界上曾经有一个著名的电池公司—加拿大Moli公司,为什么这个公司现在基本上不复存在?主要的原因就是它们在上世纪80年代率先推出了锂二次电池,由于锂枝晶生长导致电池爆炸,在市场上将用户炸伤了,电池全部召回,从此一蹶不振,所以锂的可充性一直是一个问题。到现在为止,国际上一直没有很大的进展,短时间想解决这个的问题,也是非常难的事情。另外一个问题是,它的放电产物是锂氧化物,将固态的锂氧化物再催化分解成氧和锂,多难啊。我总结一下,锂空电池聚集了多个电池体系所遇到的最难的问题,包括锌空电池、燃料电池、锂二次电池,此外还有一些自身特有的问题。因此,我认为锂空电池的实用化希望非常渺茫。

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    再看看锂硫,它的负极采用金属锂、正极采用硫,硫的容量非常高,达到1600毫安时/克,这是大家为什么研究它的原因。但是硫电极放电的时候不是直接生成硫化锂,而是逐步被还原,伴随多硫化锂中间产物的生成;多硫化锂会溶解在电解液中,发生溶解流失。溶解的多硫化锂一方面会扩散到负极还原、再在正极氧化,产生穿梭效应,导致低库伦效率和高自放电;另一方面,溶解的多硫化锂在充电过程中还会在正极表面优先沉积,导致电极因表面孔堵塞而失活,因此,电极循环性能很差。现在我们学术上的方法,就是用多孔碳材料去阻挡、去吸附多硫离子,减少它的溶解流失。这种策略在学术上看似很有效,也有大量的文章报道,但在实际电池体系中作用非常有限。两者的主要区别在于我们实验室的研究工作都是基于很小的扣式电池,电极很薄、硫负载量不高,总的硫量大约在几个毫克级;而实际电池的硫含量较大(克级),且电极很厚、单位硫载量很高。我前几年曾经参与过锂硫电池的863项目,发现在实验室能够循环上1000次的硫/碳复合材料,在实际电池中仅能循环几次,有时候甚至一次电都放不出来,为什么?我做了比较系统的分析,主要原因我列在这个表中。我们在实验室做的电极每平方厘米仅1-2个毫克,而实际电池要达到300瓦时/公斤的比能量,硫的单位面积载量必须达到5mg/cm2;如果达到400瓦时/公斤,硫电极的硫载量必须达到7-8mg/cm2,这时电极厚度非常大。对于一个多孔电极而言,其表面不管是在充电还是在放电过程中,表面的极化都是最大的。在充电过程中,溶解的多硫离子就会优先在表面被氧化为单质硫,电极越厚这种不均匀沉积就越严重,引起多孔电极表面孔的堵塞,导致电极很快失活。这是导致硫电极循环性能差的一个主要原因。

    第二个问题是锂负极的可充性,也是难以短时间解决的问题。锂表面为什么会形成枝晶?我们知道电化学反应必须包含几个串联的过程,第一个过程是反应物从本体溶液向电极表面的传输,我们称之为液相传质;第二个过程为反应物在电极表面得到或失去电子,形成产物的过程,我们称之为电化学反应步骤。哪个速度慢,电极反应就受哪个步骤控制。对于锂电极来说,它的电子交换这一步是非常快的,也就是我们专业术语所说的交换电流密度非常大,,因此液相传输是其反应控制步骤,也就是将锂离子从溶液本体传输到电极表面这一步相对慢。这样就带来了一些问题,液相传递实际上是受对流影响的,只要有重力,就会存在对流,而电极表面每一点的对流速度并不相同,因此,每一点的反应速度也就不同。哪个地方长的快,锂离子的传输距离就越短,锂的沉积速度就越来越快,这就是锂枝晶生长的原因。当然,正负极之间的距离不一样,电流的分布也就不一样,这也是导致锂枝晶生长的重要原因之一。显然,这些因素在实际电池中是很难避免的,因此,枝晶生长引起的锂的可充性问题不能说没有办法,而是目前还很难找到有效的方案。

    第三个问题是锂硫电池的体积能量密度比较低。可能仅与磷酸铁锂电池相当,为什么呢?因为硫是绝缘体,你让它导电、让它反应、让它分散,必须采用大量高比表面的碳,导致硫/碳复合材料的密度非常小;此外,硫的反应是先溶解再沉积,所以电极上必须存在大量的液相传输通道,现在大部分锂硫电池硫电极极片是不能压的,涂的什么样的就什么样,孔隙率特别高,所以其体积能量密度非常低。对于车来说,特别乘用车来说,当重量能量密度达到一定值后,体积能量密度就更为重要了,因为乘用车没有那么多地方装电池。所以从这个意义来讲,至少它在车用动力领域,锂硫电池是没有什么希望的。

    大家说是不是未来电池就不可能再发展了?我认为未来仍然是锂离子电池,只不过是我们的正极要做大幅度革新的一种锂离子电池。从我给出的这个计算表中我们可以看到,电池的能量密度要达到500瓦时/公斤,正极容量必须要达到350毫安时/克以上。有没有这样的材料呢?常规的过渡金属氧化物正极,其理论比容量也就300毫安时/克。如果富锂材料中,氧能部分参与电荷补偿,它的容量就有可能得到提高,这个想法有没有可行呢?这是我们8月份检查的时候,北大的一个老师做出的成果,确实做到了,他通过这样一个阴离子补偿机制,就是氧参与部分的储锂,将富锂正极的比容量提高到了400毫安时/克。如果这种材料真做稳定了,对我们整个动力电池技术将是一次革命性的变革。

    对于这个材料而言,氧部分参与储锂肯定会带来结构稳定性问题,我认为采用固体电解质来稳定它的循环性能,可能是比较好的策略,所以我认为从长远来看,发展基于高容量富锂正极和硅碳负极的固态电池比现在的锂硫和锂空更为靠谱。

    根据上面的分析,我这里给出了不同于常规的动力电池技术发展路线。我觉得在近中期常规技术路线没什么争议,但是从远期来看,革新型锂离子电池应为重点。

    根据这样一个技术路线,未来动力电池的发展涉及到哪些关键材料呢?因为时间关系我不可能把所有的材料都讲,我只能说讲一些我认为比较重点的。

    第一个关键材料是硅碳复合负极。超过250瓦时/公斤,电池就要用到硅碳负极了,硅碳负极是未来动力电池发展的关键材料。但是硅的问题在哪里呢?理论上,一个硅可以储存4.4个锂,但在锂化过程中,它的体积膨胀非常大,达到360%。这么大的体积膨胀,会导致材料颗粒的粉化、电极脱粉。现在来看,通过将硅纳米化和采用表面键合粘结剂可以比较好的解决这两个问题。但体积膨胀还会引起另外一个头疼的问题,那就是硅负极表面SEI膜的反复生长。我们知道电位比较低的负极材料,其表面都存在SEI膜,因为其强的还原性会导致电解液的还原分解。而SEI膜的作用就是避免负极与电解液的直接接触,保证电池的正常工作。这么大的体积膨胀会导致SEI膜的破裂,因此每循环一周,负极表面SEI膜就要修复一次。而修复SEI膜需要消耗电流和锂离子,导致电池中可循环锂的不断减少,直观表现就是循环库伦效率低、电池容量发生衰减。为什么循环效率低会影响我们电池的循环寿命呢?我们平时做负极研究的时候没有这个问题,因为采用金属锂为对电极,锂大量过量,因此硅负极可以表现出很好的循环性能,但是将同样的材料用到实际电池中时,往往发现10次都循环不了,为什么?因为在全电池中,电池容量是由正极提供的锂来决定的,可循环的锂越多,电池容量越大。如果负极循环效率低,每周都不可逆地消耗一点锂,可循环的锂就减少了。大家可以算算,99%的100次方是多少?我算过好像30%。也就是说,每周负极消耗掉1%的锂的话,100周后电池容量就仅剩下百分之二三十,所以这个问题是个很大的问题。

    我这有一个表更详细地阐述了这个问题。从表中我们可以看到,如果想让电池有比较好的容量保持率,硅碳循环效率一定要保持99.9%以上,这个要求还是非常高的。

    解决这个问题最有效的方法,就是建立稳定的固/液界面。也就是不让硅表面与电解液发生直接接触,学术界提出了这样一个结构,我们称之为蛋黄结构:外面是碳层,里面是纳米硅颗粒。在这样的结构中,硅反应所需的锂离子、电子都是通过碳层传输的,电解液不与硅颗粒直接接触,从而保证材料有高的循环库伦效率。从理论上讲这个是可行的,但是我们在实际做的时候,发现并不能达到理想的效果,为什么?硅纳米粒子放在空空荡荡的碳壳里面,能接触好吗?我们知道电子是有隧道效应的,还好一点,锂离子那么大体积不能有隧道效应,怎么跳过去?所以即使是接触、即使是反应,这个接触面也太小了。所以学术上这个思路,原理上好像很可行,实际上效果并不好。

    BTR这个方法更实际一些,BTR去年出口了差不多有1千吨的硅碳,给日本、韩国出口。他们的办法很简单,把纳米的硅跟石墨混合,混合以后让它聚集,这样纳米Si就被微晶石墨簇聚在中间,再通过碳包覆形成电解液阻挡层。虽然这种结构并不能完全阻挡电解液的渗透,但是还是能起到一定效果。当然现在这种材料的硅含量还是比较低的,大约不到10%。如果再增加的话,我认为复合材料效率可能就会出现问题,因为毕竟不是很好的包覆体系。

    我们在这方面也开展了一些工作,说出来供大家参考。其实对于硅来说,最主要的怎么样隔绝它跟电解液的直接接触。我们研究发现,将一些含氧聚合物,与纳米混合后直接加热分解,可以在Si表面原位形成硅的氧化物层和碳层。大家可以看看,这种材料循环过程中的库伦效率可以达到99.6%;如果配上一定量的石墨,我想就有可能达到99.9%的应用要求。

    还有一种方式,就是将纳米硅包埋到一种具有锂离子传导性的导电聚合物中。硅颗粒膨胀的时候一定会原位产生一个空间,之后聚合物就不会再发生膨胀,从而保证材料结构的稳定性;而且聚合物的致密结构保证了电解液不向中心的渗透,避免了电解液与硅的直接接触。这种材料的循环效率也是非常高的,可以达到99.8%。因为外层是导电聚合物,导电率非常高,因此材料的倍率性能也非常好,可以达到每克16安培的充放电电流。

我认为硅基负极的理想结构应该是这样:内核为纳米硅的聚集体,外壳是一层致密结构的导电包覆层。由于纳米硅在聚集的时候不可能堆积得非常实,导致硅和硅之间存在间隙,因此预留出了体积膨胀空间,不会对外壳造成冲击,整个结构稳定性也就得到了保证。

第二个关键材料是富锂锰基正极。富锂锰基具有250毫安时/克以上的可实现容量,是锂离子电池突破400瓦时/公斤,甚至500瓦时/公斤的技术关键。设计电池的第一准则是容量匹配,也就是正负极的容量要匹配。现在锂离子电池的正极克容量很低,在电池中的质量非常大,1克石墨要匹配2克以上正极;如果用硅碳负极,正极的匹配量更大。因此,正极容量的提高对电池比能量提升的作用更大。富锂锰基有高容量的特征,问题是电压衰减非常严重,随着电压越来越低,电池的能量密度也越来越低。另外,它的离子扩散系数和电子电导也非常低,倍率性能也比较差。

目前改善富锂锰基正极的主要工作包括:组成优化设计,制备工艺优化,表面改性。

    物理所团队正在进行一个项目,通过一种气固的界面改性来构筑表面的氧空位,使得富锂锰基正极的电压衰减问题得到了较好的解决,100周后衰减控制在2%以内。应该说,他们至少提出了一种值得借鉴的方法,表面改性确实是改善电压衰减的一个可能途径。

    此外,北大夏定国老师所带的团队利用硫原子和卤素原子调控富锂材料中氧离子参与电荷补偿的可能性,实现了400毫安时/克的比容量,但目前循环性还不是很好。如果这个材料能够实现应用,那么500甚至600瓦时/公斤的锂离子都是可以实现的。

另外一个材料问题是功能电解液。现在做电池的都在研究功能电解液,但是对于以后高镍三元、富锂锰基正极,功能电解液的作用更大。高镍三元随着镍含量的增加其稳定性变差。镍还有一个问题,就是它对电解液的氧化分解具有很强的催化作用。三元材料表面有镍析出后,电解液的分解就会加快。现在的主要思路是,采用含CN-集团的添加剂来络合表面偏析的镍离子。此外,对于硅基负极而言,添加剂开发的主要方向是高韧性成膜剂。总的来说,添加添加剂后,电池在效率、循环性等方面均得到了大幅度改善。

刚才我介绍了下一代电池的材料问题,其实下一代电池开发还有许多技术问题,我主要讲几个:

    1、电池安全性问题。2016年承担300W/kg电池项目开发的三家单位,他们的电池安全性都还不能满足考核要求,300瓦时/公斤电池2020年能不能真正装车?实际上不是性能问题,而是安全性问题。如果安全性解决不好,电池照样不可能应用。我们知道电池的安全性是由很多因素决定的,其中,正极的分解放热是导致电池热失控的一个重要诱因。正极对电池热失控的贡献非常大,为什么?正极的用量最大,正极的放热量最大,所以正极改变以后对电池安全性影响非常大。这里可以看到,三元材料,不管是高镍三元还是一般的三元,它们的热稳定性都比磷酸铁锂差很多,不仅放热量大,而且分解温度低,这就会导致我们未来电池的安全问题会更加严重。当然解决安全性问题,要从三个方面,材料、单体、系统全方位的开展工作。今天我看有研究系统的、有研究绝热材料的,系统我估计华霆的周总会讲这方面的东西。我认为从安全性整个解决思路来讲,材料是基础,什么材料就决定了什么样的安全性;单体是关键,好和坏由单体决定的;系统是保障,锂离子单体发生了热失控也不至于把其他的都引发。这里因为时间关系,我只在单体层面上介绍一些思路和工作。

    第一种思路,发展电池自激发热保护技术。我们电池是没有温度敏感特征的,温度一高就可能引发热失控。如果在电池中存在一种温度敏感材料,在温度高时能有效地切断电子和离子的传输,那么在滥用条件下电池就会自动关闭其反应,避免温度的进一步升高。最简单的办法,就是将PTC材料用于电池中,实现温度敏感。其实很多领域都在用PTC材料,只不过没用到电池上面。PTC材料主要特点是,在常温下电导很好;当达到某一个转化温度时,电阻急剧上升,从一个导体变成一个绝缘体,这样就切断了电极上的电子传输。假设我们用这个材料作为铝箔或者铜箔的涂层,温度高的时候,这个涂层的电阻变得特别大,就会切断极流体和涂层之间的电接触,使得电极就不能反应了,至少反应电流很小。还有一个方式,就是直接用PTC材料作为导电剂,温度高的时候,电极整个导电网络就被切断了,反应速度就会大大降低。常规的PTC材料是碳黑和高分子树脂的复合物。温度高的时候树脂膨胀,碳黑和碳黑之间的距离就加大了,电阻就急剧增大,PTC就是这个原理。但是这种PTC材料是不能用到电池中的,因为它们的颗粒很大,很难分散,作为导电剂需要添加的量很大,对电池的能量密度影响大,这样电池厂就不愿意了。

    我们这些年研究发现,一些导电聚合物,具有PTC效应,而且可溶。利用这种材料可以制备非常薄的涂层。如我们发现P3OT这种聚合物,在30—80度的时候电导率是比较高的,但是90—110度的时候马上有三个数量级的变化,这个涂层不到1个微米,600纳米左右,这样不会影响电池的能量密度。我们测到这个涂层的结合力,都是没问题的。常温的时候,电极的充放电正常,一旦到90度以上,这个电池就不工作了。这是我们跟ATL合作取得的一些数据,这种涂层对电池常温性能没有任何影响,但是对电池的过充性能包括其他性能都有大幅度的改善,应该效果是非常明显的。另外我们也把这种PTC材料用作导电剂,制备了电池。大家可以看看,这个材料在120度的时候展出热关闭的性质,显著改善了电池在过充、热箱、针刺等条件下的安全性。

    第三种方法,是热关闭隔膜。现有的三层隔膜都具有热关闭功能。常规的隔膜,它的闭孔温度是由PE熔点决定的,大约135度左右;熔化温度是由PP熔点决定的,大约165度。由于闭孔温度过高,热关闭后,热惯性极易使电池温度继续上升到165度,造成隔膜熔化和电池短路,因此常规隔膜的热保护作用有限。如果我们在隔膜表面涂敷一层塑料微孔,那么达到微球熔点的温度时,表面微球层就熔化了。球熔化以后就把这个隔膜的孔给堵了。另外现在做的结果是,微球朝向哪一面电极,哪一面电极表面的孔就被堵死,效果也非常好。由于离子传输被切断了,电池反应就停止了,电池就安全了。我们在中航做了一批20安 的时三元材料电池,从短路、挤压、过充等实验结果来看,比空白电池的安全性提高了很多。

    解决安全性问题的第二个思路是,发展全固态电池。

    实际上从提高体积能量密度来讲,全固态电池也非常有前景。随着电池密度提高,体积能量密度对乘用车来说越来越显得重要。从第57届日本电池会议上反馈的信息来看,韩国、日本的一些研发机构都在开展固态电池的研究,国内的ATL等一些大的电池企业也在做这方面的研究。8月份的时候我在无锡参加了一个固态电池会议,我想就一两百号人,结果来了600多人,就是说这两年固态锂离子电池全球和全国都很热了。

    液体和全固态比较,主要优势是高安全性。另一个特点就是能够实现内串联,有利于模块和系统能量密度的提升。但是它的界面应力大、稳定性差,固体电解质必须跟活性材料颗粒充分接触,否则无法实现锂离子的传输。但是任何电极材料,不管是石墨还是三元材料,充放电过程中都会出现体积变化。一旦体积变化引起固/固分离,锂离子的传导就会受阻,电池性能就会急速下降。所以固体电池整个研发的重点之一是固体电解质的选择,现在来看,硫化物是比较适合的,因为硫化物相对软一些;二是固/固界面的构筑技术和稳定化技术,今年有一个固态电池的指南,马上要发出来,怎么样构筑这个固/固界面,而且要稳定,这里面就有诀窍了,如果用纯粹的固体电解质做肯定做不到,最好的办法就是无机和高分子的杂化体;三是生产工艺和专用设备的开发。固态电池的生产过程肯定跟我们现在的业态不一样。

    2、高载量电极的设计技术。特别是以后能量密度提高,这个问题更突出。活性物质在电池中的占比是影响电池比能量的一个重要因素。我这里给出一个图,给出了活性物质占比从0.45一直到0.7时电池能量密度的实现情况。同样正负极材料,同样的克容量,如果一个电池里面活性物质质量占比较小的话,电池的能量密度就低。所以要提高能量密度,一定要从相同重量的电池里面尽量多地填充活性物质。活性物质多一定是辅助材料少,铜箔要减少、铝箔要减少;其实最主要的是将电极做厚,电极厚了,集流体和隔膜的用量也就减少了。但是,锂离子电极不能做厚,厚了之后电极表面极化就变大了,电极在厚度方向的利用率就降低,而且会造成充电过程中负极析锂、正极分解等问题。从提高能量密度来讲,希望越厚越好;但是极化理论告诉我们,电极越薄越好,这两者是完全矛盾的。随着能量密度提高,比如一个单体100瓦时/公斤,现在变成300瓦时/公斤,意味着单位重量的材料所承担的电流同步提高,因此对于今后的高能量密度电池,保持功率性能是非常难的,所以高载量的电极设计技术越来越重要。

    大家说没办法解决这个矛盾吗?其实是有办法的,实际情况是,越靠近隔膜的时候液相电流是越大的,这个电流就是外部电流;沿着极片厚度方向,液相电流慢慢减少,固相电流逐渐增加。所以越靠近隔膜电极孔隙应该越高,越靠近电极的极流体,电极孔隙可以越低。所以,既要保证高能量密度、又要保证功率性能,一定要设计一种梯度孔隙分布的电极,至于怎么做大家想办法。随着新材料的应用、电池能量密度的提高,梯度孔隙电极的设计越发重要。至于梯度达到什么程度,不是靠试验摸索,试验摸索很难的,要建立极化模型。

    最后是我的总结:

    锂离子电池仍然是动力电池发展的重点,解决硅负极的循环库伦效率低和富锂锰基的电压衰减问题,有望发展出比能量突破400瓦时/公斤的先进锂离子动力电池。

    从远期来看,革新型锂离子电池较锂硫、锂空更具现实可行性。开发基于阴离子电荷补偿机制的高容量富锂氧化物正极,可以发展出比能量大于500瓦时/公斤的动力电池。

    安全性决定了高比能电池装车应用的前景,发展自发热控制技术和全固态电池是可行的解决方案,需加紧攻关。

    高载量电极是实现电池高比能的基础,根据极化末新,开发梯度孔率电极,对于高比能量电池发展具有重要作用和意义。


(根据发言整理,未经本人审阅)


艾新平个人简介:武汉大学化学与分子科学学院教授;博士生导师;湖北省化学电源材料与技术重点实验室主任;科技部《新能源汽车专项》指南专家和总体专家组动力电池责任专家。主要研究领域包括:锂离子电池、钠离子电池、锂-硫电池,以及电池安全性技术。先后主持国家973项目课题、国家863项目以及国家自然科学基金项目10余项,发表学术论文100余篇,曾获国家技术发明二等奖一项,省部级科技成果奖两项。



(来源:中国电动汽车百人会 )

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