黄学杰:未来十年,锂离子电池和金属电极的固态电池比翼齐飞

似水流年 2021-01-18 17:00:24

2021年1月15-17日,第七届中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆以线上方式举办召开,本届论坛以“新发展格局与汽车产业变革”为主题,聚焦产业发展的趋势动态、热点痛点等问题。在1月17日上午进行的未来电池论坛上,中国科学院物理研究所研究员黄学杰发表了主题演讲。


黄学杰:未来十年,锂离子电池和金属电极的固态电池比翼齐飞


以下为演讲实录:


尊敬的陈清泰理事长、线上的陈立泉院士、各位嘉宾早上好,非常荣幸有机会到这个论坛做一个汇报,新的十年又开始了,电动车走进了新时代。刚才在线上陈立泉院士已经全面的介绍了锂离子电池向固液态方向的发展,钠离子电池将会成为未来资源面临挑战时,提供储能应用的一个重要的电池。我今天主要是来汇报一下在新的十年,锂离子电池和全固态电池都会持续的进步。


我们经常讲你开的车是用什么样的电池,是三元电池还是磷酸铁锂电池,这个里面指的什么?指的都是正极材料。我们可以看过去是锂离子电池支撑了新能源汽车的发展。昨天欧阳院士也讲了锂离子电池是一个伟大的发明,2019年的诺贝尔奖给了三位老先生,不仅仅是手机应用,电动车这一块更是一代材料一代电池支持产业发展。锰酸锂推动了聆风电动车销售50万台以上,是作为第一代动力电池的正极材料。第一代动力电池是因为比能量低的原因,逐渐被三元和铁锂取代。现在还有生命力,在什么地方呢?现在用在轻型车辆上,电动两轮车、电动三轮车做的很红火。优点是什么?优点是非常的便宜、安全,性能的话,环境的适应性还是不错的,低温性能,刚才陈院士也讲到了钠离子电池低温性能也不错。


接着就是磷酸铁锂,磷酸铁锂为中国的电动汽车产业的发展做出了重要的贡献,接着也会为储能产业的发展做重要的贡献,全球我不说百分之一百,至少是百分之九十七八的磷酸铁锂和它的电池是在中国生产的。优点是非常明显的,首先是它的长寿命,现在高的都已经能做到万次的寿命了,还有高安全,所以我们的公交车优先提倡用磷酸铁锂电池,当然它的比能量是会低一些,因为它的电压比较低,材料的密度比较低。但是进步也很快,过去十年前,咱们想磷酸铁锂什么时候能够做到150瓦时/公斤就不得了,到了2020年做到了200瓦时/公斤。


磷酸铁锂的汽车能不能跑600公里,比亚迪给出了很好的回答,通过优化电池和电池组到电池PACK的设计,能够跑到600公里,到了2020年的时候,我国80 GWh多一点的动力电池里面,磷酸铁锂超过了30GWh,现在一些名车也开始考虑磷酸铁锂。三元材料的进步也非常之明显,头部企业已经能够生产、销售300瓦时/公斤的三元电池,确实是让我们的车辆一次充电里程到了700公里以上,就是高端乘用车。当然我们也分析它的优点和缺点,优点是什么?那当然是比能量高,一次充电里程长。缺点是什么?好像安全性不太好,但是我要告诉大家进步的非常快,而且里面的镍的含量在不断的提升。国际上已经到了0.9,装车的电池也很好,新的特斯拉将会用上这样的电池。


所以说一代材料一代电池,持续的往前走,我想锂离子电池会沿着这条道继续往前走。


大家都在想,新的十年我们会有什么进步呢?过去的十年我们知道,锰酸锂为磷酸铁锂和三元材料的电池所取代,电动车获得大发展。

黄学杰:未来十年,锂离子电池和金属电极的固态电池比翼齐飞

新的十年有没有新的材料?我们可以看到,现在性价比最好的动力电池是什么?是磷酸铁锂,这就是为什么Model3等等这些都有用磷酸铁锂,因为目前的磷酸铁锂性价比最优,每个瓦时的单体电池已经到了五毛钱以下的成本,还有没有降的空间,扩大规模是可以降的,但是我们可以看到动力电池的材料还在一代一代地发展。三元在往哪一块方向发展,往减钴加镍的方向发展,磷酸铁锂后面还有镍锰酸锂,镍锰酸锂它的优点就是电压高,相对于我们今天的金属锂来讲是4.7V,拿石墨做负极,做电池做出4.5V电池,磷酸铁锂是3.2V,三元材料是3.6V,可以看到分别高40%和20%多。电压的提高,带来的好处是什么?带来的是比能量的提升。同样尺寸的一块电池,你不用更换它的负极,也不用更换铜箔、铝箔,也不用更换电解质隔膜,把它的磷酸铁锂换成镍锰酸锂,电压就升到4.5V,基本上容量可以保持不变,因为镍锰酸锂的比容量是130多mAh/g,磷酸铁锂是160左右,但是它的密度高。所以同样的尺寸,容量基本上不变,电压提升40%,也就是说它的能量可以提升40%。电动汽车做到了今天的话,我们更关注的是电池的体积能量密度,而不再是比能量的。


当然这个材料有很大的挑战,因为大家都在做三元材料,突然你讲做二元材料,这个二元材料又这么高的电压,到底稳定不稳定,这个就是过去我们十七八年努力的一个结果。我们做的一个事情就是让这个材料变的稳定起来,刚才陈老师也介绍过,物理所的人就是习惯于长时间做一件事情,负极做了20几年,固体电解质做了30几年。今天正极材料,每一代正极材料我们也做了很多年,这里面解决了什么问题?本质是什么?材料的稳定本质是什么?对于磷酸铁锂来讲,它能够到一万次的寿命是因为它是一种磷酸盐的材料,它是橄榄石的结构,材料本身上结构非常之稳定,所以电池也很安全。那么层状材料之所以不稳定,是因为层状材料在循环的过程中,它的结构会发生变化。最稳定的结构是什么?是尖晶石结构,当年日产第一代的电池采用的是锰酸锂的尖晶石结构,当然很稳定,但是可惜比能量比较低。把其中的1/4的锰给它换成镍以后,那么带来的效果是什么呢?带来的效果就是电压升到了4.5伏。接着我们就会发现这个材料的内部非常之稳定,问题就出在哪儿?问题出在表面上,表面得到改进以后,我们可以和谁比?我们可以和三元材料来比。我们可以看到,在高温下循环,或者在室温下循环,即使在55度的高温时候,它的循环性能仍然优于我们在常压下的这一种三元材料。这个材料最早发明也是在1990年代,也是20几年前了,那个时候是日本和加拿大科学家同时在实验室里面发现镍取代部分的锰可以提升电压。


但是大家对面临的挑战都知道,到了这么高的电压的电池没法工作,当时只能做半电池。今天材料的水平确实提高了,我们可以看到软包的电池没问题,你看把它做出来。那么软包的电池循环以后它的库伦效率非常之高,600周跑下来有97%的容量保持率,近期数据是2000周以上的时候是85%以上的保持率。这里面很重要的一点是什么?是材料稳定性。高压的电池很重要的一点就是气胀,大家不要小看把圆柱变成软包,说句实话,我们的NCA为什么现在还是倾向于做圆柱呢,里面很大的问题就是气胀的问题,同样是一些新材料,首先都会在圆柱里面使用,你能做软包,你能够解决气胀问题,就证明你的材料到了相应水平。所以在新的十年,磷酸铁锂有了升级版,它的能量密度会提升,在不改变其他材料,不改变制造工艺的基础上,同样的工厂你可以生产能量密度提高40%的镍锰酸锂的电池。


三元电池有没有进步?三元电池也会有进步。三元电池重点也是能量密度的提升。过去我们老讲,电动汽车要提升里程,重点提升瓦时/公斤,瓦时/公斤实际上是比能量,过去很多年大家把说混了,说能量密度就说瓦时/公斤。实际上能量密度是体积密度,是瓦时/升。电动车辆发展到今天首先对于乘用车我想也是对商用车来讲,更重要的不是减重,重要的是缩小电池的体积。我们可以看到,第一代特斯拉,包括我们今天的磷酸铁锂电池,差不多还是在300瓦时/升,到了这一代代就到了600瓦时/升,同样的空间里电量储存是大幅度增加了。现在重点要做的工作就是提升瓦时/升,在未来十年之内动力电池会到1000瓦时/升,比第一代特斯拉高两倍,比今天很多车辆高一倍,所以说增加一次充电里程也不是问题。正极材料当然会发生很多变化,前些年主要研究富锂材料,比容量很高,到280毫安时/克,但是富锂材料有个问题,它材料的密度比较低。做出来的电池体积太大,锂硫电池更是这个样子。所以说为了减小体积,是会往一个方向走的,往一个准二元材料。这里面的一个关键就是什么?要提升密度,降成本,核心点是什么?加镍减钴,同时稳定层状。所以全球都在喊无钴正极,其实无钴正极,我理解两层意思,一种是磷酸铁锂、镍锰酸锂这一类完全无钴的材料,一种是钴低于1%,下一代的层状材料,现在已经低于10%了。新的制造技术也会推进发展,今天我们要在材料进步的基础之上,改进电池的这种设计。可以预期在未来的一些年,锂离子电池固液态混合会有发展,做液态电池的会学习固态电池的知识,做固态电池的会学习液态电池的知识。


这里面一个关键点就是优化电极里面的结构,甚至说你可以把一部分的高电导的、高迁移数的固体电解质引到液体的电极里面去,做成厚的电极、多层电极,我相信在制造这一块还有机会挖出百分之二三十的潜力。

黄学杰:未来十年,锂离子电池和金属电极的固态电池比翼齐飞

至于固态电池,转眼30多年过去了,今天我是觉得固态电池到了一个很好的时候,我为什么说固态电池未来的十年是破壁的十年,是因为全固态电池是我们最理想的模式。那么全固态电池跟固液态电池相比,实际上是革命性的东西。第一个阶段,锂离子电池固态、液态互相学习,固液态会得到很好的发展。第二个阶段,全固态电池600-800瓦时/公斤,有更好的安全性,这个必然是革命性的。


我大概会想到几点,我们会想它的电解质应该是什么,它的电解质是液体吗?不是,它的电解质是polymer吗?可能不是。是因为液体和polymer从导电机理上看,还是我们今天的电解液的机理。很高兴经过全球科学家的努力,今天高导电的硫化物的锂离子导体全固态的。它的低温电导率、室温电导率,都是今天电解液的5倍以上,尤其锂离子的导电能力比今天的电解质高一个数量级,QuantumScape和丰田汽车等都在大力开发。今天展示的电池大家可以看到薄片电池,为什么薄片电池?是因为今天的电极技术还没解决这个问题,液态电解液可以渗透进去,有很大的反应面积。固态电池的反应界面的问题远没有解决,也就是说我们固态电池现在反应能力大概只发挥了千分之几,导致电解质的离子导电能力比液态高十倍,但是电池性能没有体现出来,所以这个方面电池结构将会在未来十年发生重要的变化。


第二个,材料会发生变化,我觉得比较有意思的一个事情就是,最高比能量的液态的锂硫电池,当然锂空气咱们除外,那是开放型的这个结构,固态化咱们可以接着再讨论,在未来十年我预计它们也会走向固态化。在这个基础之上,我们会摆脱对一些过渡金属的依赖。所以接着制造的方法会改变,系统结构也发生创新。还有一点的话,就是固态电池不仅仅是指锂离子电池,固态电池会走向金属锂电池,也不排除金属钠电池,也不排除空气电池,所以十年破壁会有很好的机会。


以上就是我汇报的内容,我们可以看到,到了2030年时候,不仅仅是电动车早早的就已经战胜了燃油车,我指的是经济性上面。500瓦时/公斤以上的固态电池必然会走向适用,未来十年的电池界,是锂离子电池和金属电极的固态电池比翼齐飞的时代。我想汇报到此,请大家批评指正。

来源:腾讯网

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