中国科学院院士张锁江：材料革命将推动电池储能革命

2017-09-12 15:57:32 新材料在线　点击量：评论 (0)

8月26日，中国科学院院士张锁江在2017动力电池新材料技术与发展高峰论坛上作了题为《动力电池系统的机遇与挑战》的精彩报告。他指出，社会可持续发展战略对动力电池技术的突破提出了刚性需求，现今动力电池行业得

在高容量电极材料方面，目前需要重点突破第三代动力电池电极材料，这是针对电动汽车和规模储能用的。高电压高电容正极材料的研发策略是材料改性结合电解液优化，包括浓度梯度材料＋包覆、掺杂改性；人造CEI膜或添加剂原位构造CEI膜。高容量高稳定性的硅碳负极材料的问题解决策略则是SiOx颗粒可控生长、碳原位包覆；SiOx/C纳微复合多级结构的构筑。硅球与碳纳米管整体电极的研究，解决了硅膨胀和导电性差的问题；硅碳负荷微球材料的容量高、循环稳定；硅碳三维网络结构则进一步提高容量至1100mAh/g。

高压电解液方面，可以看到电解液现存的问题是适应性差、种类繁多，我们近期目标是开发高压、高安全电解液，把离子液体作为添加剂。中长期目标是开发出一种兼容性强、适应更多种类电极材料的电解液。高压安全电解液的研究工作很庞大，是一个系统的工作。我们的思路是通过研究离子液体构效关系，开发离子液体添加剂、离子液体共溶剂、离子液体全溶剂，再研发出新一代离子液体电解液，最后实现产业化。

我们从2007年开始研究离子液体电解液，到2016年做到了规模化生产。最新的一个工作是开发了4.95V高电压离子液体电解液，10次循环后效率大于99.5%，200次循环容量保持率为95%。我们把它做成了镍锰酸锂/钛酸锂全电池，性能还不错。送到多个第三方检测机构检测，结果显示比国外的电解液还要好一些。目前离子液体及离子液体电解液已经国内外多家使用。

电解液溶剂的设计开发也很重要，EC（碳酸乙烯酯）、DMC（碳酸二甲酯）是电解液中重要的溶剂。它的反应是离子簇催化的过程，这些过程没有办法都用实验来观察到，所以我认为要想办法在“大”的条件下去模拟出来，如今是做到了。然后是突破了反应器放大的难题，我们用两年时间优化工艺，大幅降低了工艺系统的能耗，解决了反应器内气液分布不均的技术瓶颈，实现气液100%转化，也降低了后续处理的能耗。另外，我们希望能把年产7万吨的离子液体均相催化DMC新工艺的工地建设起来。

回到动力电池本身，这个系统里面包含了非常多东西，需要解决几个“一致性”的问题。我认为要大力提升生产信息化、智能化水平，构建大数据全生命周期管控体系，具体需要实现原料一致性、工艺一致性、环境一致性。比如材料中带芯片，这样的智能材料可以实时响应，全生命周期跟踪，大数据处理。所以要把电池管理系统（BMS）的开发工作做起来，采用数值模拟强化物质、热、电、信息一体化管理系统，实现热管理、电池均衡管理、充放电管理、故障报警管理。电池系统的信息流非常重要，要建立系统方法来揭示物质、能量、信息的耦合关系，支撑电池系统创新。电池要有BMS进行实时监测，实现单体电池电压、温度、充放电电流的实时监测与控制优化算法精准地对电池组SOC、SOH状态进行估算和监控。更重要的是实现电容器跟电池的耦合，通过耦合构成一个大的系统，大幅度节能。

第二个是超电容，超电容主要是要提高它的电压。我们开发了凝胶电解质，多种形式的炭复合材料可以发挥其高比电容的优势。掺氮活性炭双层电容器能量密度可以达到130Wh/kg。而准固态锂离子超电容的内阻小、电化学窗口达4V，最大能量密度可以达到146Wh/kg，最大功率密度可以达到22.6KW/kg。

第三个是储能，我们国家的储能行业正处于高速发展的阶段，但是一般储能用电池的能量密度都很低，而锂离子液流电池的能量密度可达50-100Wh/kg，或许能成为新一代的规模储能技术，目前也正朝着商业化发展。在锂硫液流半固态电池方面，我们设计和制备了具有“自稳定”特性的电极浆料，流体电极稳定性高、流动性高、黏度低、电导率高、倍率放电性能突出，能量密度可达400Wh/L。流体电极循环性能方面，1C倍率循环1100周后容量保持51%，穿梭效应得到抑制。我们还支持间歇流动放电和连续流动放电，也可以长时间流动充放电。

三、未来展望

最后讲讲未来的展望。

不得不说，动力电池迎来了大发展。首先是高能化，从现在的200Wh/kg、300Wh/kg的目标朝未来500Wh/kg发展，甚至会更高。其次是安全性，电解液从液态、凝胶往全固态发展。还有快充化，从现在的几十分钟到几分钟，充电时间越来越短。我认为这些目标一定能实现。

而储能电池市场的潜力非常大，国家正在发展清洁能源，储能是能源革命的关键支撑点。2030年中国风光储能市场空间有望达到1万亿元。我们在实验室开发了一个MW（兆瓦）级锂离子液流储能电池示范工程建设，将来希望达到10MW、100MW级别。

另外，我们要关注“后锂电”时代的几种电池。燃料电池需要提高能量转化效率，重点解决催化剂中毒的问题。锂-空电池则要解决“锂枝晶”问题，其中电解质是关键。到了2025年左右，金属锂电池或许会迎来大发展。

说了这么多，电池回收也是非常重要的。我们国家的锂、钴、镍大多依赖进口，其中国内卤水资源中的镁锂比高、开发难度大，云母矿品味低；而钴的含量仅占世界的1.03%，消耗却占全世界总量的50%，95%以上依赖进口；镍含量仅占全世界总量的3.0%，消耗却占全世界的20%以上，进口率高达60%。电池回收是可持续发展的必由之路。

另外，锂盐的供求关系需要高度重视。数据显示，我国锂总储量排名世界第二，但锂产量仅占全球的5%以下。其中2015年碳酸锂需求量为7.9万吨，大部分是进口的。预计2020年世界碳酸锂总需求量为46万吨，我国需求总量将达到18万吨。我们有必要创新盐湖提锂新工艺，比如沉锂母液未能有效利用，直接外排造成了浪费，另外，高纯碳酸锂生产技术开发也是当前国际难点，这些情况都要改善。

总结起来，材料革命将推动电池储能革命。从材料到电池的革命，将改变世界、改变生活。要实现这个目标，我们必须构建电池储能的研发大平台。我在想，深圳是否能建成一个真正的电池国家级平台？将大学、研究所、产业界的优势力量集成，共同搭建这个大平台，满足国家能源领域战略需求，体现国家意志、承担国家任务。这将成为国家创新体系的核心力量。

今天讲了这么多，到底如何迎接新挑战和新机遇呢？归纳如下：认识大势，变革观念；需求牵引，协同创新；总体规划，重点突破。

最后我想用彼得˙德鲁克的话做结语，“我们无法左右变革，只能走在变革前面”，希望跟大家一起创造美好的未来，谢谢大家。

原标题:动力电池系统的机遇与挑战