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动力电池系统的机遇与挑战

作者: 亚博网页版登录界面   时间:2021-04-28   浏览:97826

本文摘要:8月26日,中国科学院院士张锁江在由寻材问料举行的“2017动力电池新材料技术与发展高峰论坛”上作了为题《动力电池系统的机遇与挑战》的精彩报告。

8月26日,中国科学院院士张锁江在由寻材问料举行的“2017动力电池新材料技术与发展高峰论坛”上作了为题《动力电池系统的机遇与挑战》的精彩报告。他认为,社会可持续发展战略对动力电池技术的突破明确提出了刚性市场需求,现今动力电池行业获得迅猛发展,中国在2016年打破日本沦为全球动力电池第一大生产生产国。但目前动力电池性能亟须提高,提升电池能量密度是众多待突破技术中的核心。目前最有效地的解决问题策略是在电极材料和电解液领域展开技术创新。

动力电池就是一个十分“大”而简单的系统,从系统的宏观角度更容易找到和解决问题动力电池发展中遇上的瓶颈问题。张锁江院士就动力电池系统发展中所遇上的机遇和挑战从三个方面展开了阐述。首先从全球社会发展趋势和中国自身的特点就动力电池发展的必要性展开了阐述,他认为发展动力电池对构建产业升级和发展智慧型能源网络具备最重要意义。

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其次,提高动力电池性能不仅必须提高电极材料、电解液和隔膜等关键材料的性质,还要从系统工程的角度通过优化来提高其兼容性和电芯的生产工艺。最后在对动力电池未来发展的未来发展中,他认为,未来动力电池将从目前的液态锂离子电池过渡到更为安全性的凝胶型和固态电池,同时也必须从锂资源的有限性来前进其高效循环研发和利用。 动力电池机遇与挑战我们如今身处“地球村”,互联网等媒介将全世界都相连在了一起。

当前世界的主题是和平与发展。当代另一个显著的最重要特征是科技发展日新月异,比如一种材料不会很快被另一种材料所代替,我们注重科技创新,而因为科技创新速度的减缓,产业结构升级也减缓了。但它从规划到产业化的周期十分漫长,早已不适应环境这个时代的发展拒绝了,亟需从过程工业的角度来优化升级,也指出世界的大趋势给产业界、学术界明确提出了更大的挑战。

这个大挑战对系统给科技创新,不会带给什么样的趋势呢?科技上的大趋势交叉融合,拒绝绿色化、智能化、高值化。其最重要研究方向是新能源、新材料、生命身体健康和绿色环保。

谈及能源,国家回应非常重视。在2014年6月13日的中央财经领导小组第六次会议上,国家领导人认为要推展能源的革命,还包括消费、供给外侧、技术和体制革命四个方面。而只有技术革命才能推展供给、消费和体制革命,所以能源技术革命在能源革命中起决定性起到,必需放在能源发展全局的核心地位。党中央、国务院也确认成立能源、信息等领域的国家实验室,这也更进一步证明了能源的重要性。

目前,我们国家的能源结构是丰煤、较少气、缺油,迫切需要转型。到2050年清洁能源将占有我国总能源的50%以上,因此用于清洁能源如水电、太阳能、风能等,是国际大趋势。总体上,能源结构是要从高碳向低碳发展,新能源占到比大大减少,同时要把电能系统网络化、智能化。为什么要发展清洁能源呢?我们国家处在生态建设之中,十八届三中全会明确提出了“五大建设”,其中就提及了“绿色化”。

世界各国都非常重视风能、太阳能、地热能、海洋能、水电、生物质能等新能源的开和和利用,我们国家明确提出驱动以新能源和可再生能源为主体的能源供应体系尽快构成。新的能源必需建构新的系统,大家看见这个新能源电力系统图中还包括风能、太阳能,地热能、潮汐能等,它们一个联合的特点就是波动性强劲,有波动就必需要储能,因此大规模的储能是新能源电力系统否能平稳用于的核心技术之一。

电动汽车将对世界能源格局的变化产生深远影响,目前全世界都在大力发展电动汽车。2016年,我国电动汽车销量突破50万辆,预计2020年的产量将超过200万辆,产值多达6000亿元。

我国应以仍然核准新建燃油汽车项目,并严格控制现有汽车企业不断扩大传统燃油车生产能力。国外方面,在G20汉堡峰会上,法国、德国、印度、挪威等国家具体表态将全民停售燃油车,松下、三星、LG等著名公司著手大力发展电动汽车电池市场,已打开车用电池“大战”。

电动汽车已某种程度只是一辆车,而是一个新的机遇。它将能很大地解决问题环境污染问题、能源危机、同别国的争端问题,同时增进智能车的发展,并通过车联网让“地球村”联系得更加密切。电动汽车将通过智能电网与新能源发电联合发展。

电池储能是一个大的系统,在很多领域上都能应用于,比如3C产品、电动汽车、智能穿戴、航空航天和规模储能等。每一个领域对电池的拒绝都不一样,比如3C产品必须的是小型化、高能量的电池,而电动汽车则拒绝高能量、高功率、长寿命的电池。实质上,电池储能是一个产业链,从国家的角度来讲要创建全线贯通研发的模式,关键技术主要靠科学院、科研机构来解决问题,当然也还包括一些企业的研发中心。那企业主要做到什么呢?企业要做到关键样板,然后再行推展。

目前,从材料、器件到系统这样一个全线贯通的研发模式早已不存在,只是依然较为牢固。大家都说道科技成果转化成力过于,事实上就是指ABC到XYZ的链条没作好,这里面包括了一个系统的研发模式,还包括从分子水平分析、纳微光学到中试、工业样板、实况产品检验等,主要的挑战是动力电池、规模储能、特种电池的缩放效应,必须科研和产业界牵头一起,建构一个原始的、先进设备的研发大平台。关于锂电池的研究,大视野下的纳微原位解析是十分最重要的,要创建横跨尺度的仿真仿真技术,尤其是纳米级别的模型尤为重要,但这一条研究链并没创建一起。另外,智能大数据系统急需创建,这个大数据系统要服务于成千上万家的企业,沦为科研单位、企业和用户之间的桥梁和纽带。

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除此之外,要创建分享的理念。分享是没边界的,比如北京的中关村、怀柔、上海、深圳、广州和中国香港等地都可以分享人才、分享平台、共享资源、分享成果,这个理念十分最重要。那明确在运作模式上是如何构建的呢?新的运作模式就是联合建构、联合共享、引导未来。

如果我们要辟一个国家级的大平台,一定要做“三总”(总指挥、总工程师、总确保师),分工协作。总工意味着负责管理技术方面的事情,资金或者其它事务让总指挥来做到,另外有总确保师做到后勤保障。

我们正在面对着一个历史性的根本性机遇,中国2016年早已打破日本沦为全球电池储能第一大国,而且动力电池产业发展快速增长,2016年销量超过30GWh。科研方面,仅有钒液流电池构建产业化,锂液流电池转入样板阶段。中国强劲的经济社会发展对电池储能技术突破明确提出了刚性拒绝。研究进展这部分主要阐释我们目前的研究进展,针对动力电池、超级电容和储能电池。

再行谈动力电池。动力电池目前主要不存在四方面问题:一、续航里程较短、成本高;二、电池速度慢;三、安全性劣,易燃易爆;四、环境适应性劣。在全世界范围来看,这些问题都是普遍存在的,其中续航里程较短可以归结能量密度较低。怎样让动力电池既低廉又享有低能量密度呢?这是一个很难解决问题的问题。

我们最近与北京协同创意研究院、美国康奈尔大学都有在研讨这个问题。能量密度要提升到300Wh/kg,电极材料和电解液的创意是显然,这也是一个系统的问题。电极材料方面,我们要从磷酸铁锂/石墨体系过渡到三元/石墨体系,未来朝向低镍三元/硅碳体系发展。电解液则就是指常规的4.2V电解液往高压电解液(4.8-5.0V)发展。

总的来说,提升动力电池性能,必须解决问题高容量电极材料问题、高压低安全性电解液问题、电芯及电池组工艺问题。我们这些年重新组建了从材料到系统的协同创意团队,研究电极材料、新型电解液,并和企业合作展开电池组装有测试实验。在高容量电极材料方面,目前必须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。

低电压低电容负极材料的研发策略是材料改性融合电解液优化,还包括浓度梯度材料+外壳、掺入改性;人造CEI膜或添加剂原位结构CEI膜。高容量低稳定性的硅碳负极材料的问题解决问题策略则是SiOx颗粒高效率生长、碳原位外壳;SiOx/C纳微填充多级结构的构筑。硅球与碳纳米管整体电极的研究,解决问题了硅收缩和导电性劣的问题;硅碳负荷微球材料的容量低、循环平稳;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,可以看见电解液现存的问题是适应性劣、种类多样,我们近期目标是研发高压、低安全性电解液,把离子液体作为添加剂。中长期目标是研发出有一种兼容性强劲、适应环境更加多种类电极材料的电解液。

高压安全性电解液的研究工作很可观,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,研发离子液体添加剂、离子液体共计溶剂、离子液体仅有溶剂,再行研发出有一代离子液体电解液,最后构建产业化。我们从2007年开始研究离子液体电解液,到2016年做了规模化生产。

近期的一个工作是研发了4.95V低电压离子液体电解液,10次循环后效率小于99.5%,200次循环容量维持率为95%。我们把它制成了镍锰酸锂/钛酸锂全电池,性能还不俗。

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送往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早已国内外多家用于。电解液溶剂的设计研发也很最重要,EC(碳酸乙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)是电解液中最重要的溶剂。

它的反应是离子簇催化剂的过程,这些过程没办法都用实验来仔细观察到,所以我指出要想要办法在“大”的条件下去仿真出来,如今是做了。然后是突破了反应器缩放的难题,我们用两年时间优化工艺,大幅度减少了工艺系统的能耗,解决问题了反应器内气液产于失衡的技术瓶颈,构建气液100%转化成,也减少了先前处置的能耗。

另外,我们期望能把年产7万吨的离子液体皆互为催化剂DMC新工艺的工地建设一起。返回动力电池本身,这个系统里面包括了十分多东西,必须解决问题几个“一致性”的问题。

我指出要大力提高生产信息化、智能化水平,建构大数据仅有生命周期管控体系,明确必须构建原料一致性、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动态号召,仅有生命周期追踪,大数据处理。所以要把电池管理系统(BMS)的研发工作做到一起,使用数值仿真增强物质、热、电、信息一体化管理系统,构建热管理、电池平衡管理、充放电管理、故障报警管理。

电池系统的信息流十分最重要,要创建系统方法来说明了物质、能量、信息的耦合关系,承托电池系统创意。电池要有BMS展开动态监测,构建单体电池电压、温度、充放电电流的动态监测与掌控优化算法精准地对电池组SOC、SOH状态展开估计和监控。更加最重要的是构建电容器跟电池的耦合,通过耦合包含一个大的系统,大幅节约能源。

第二个是超强电容,超强电容主要是要提升它的电压。我们研发了凝胶电解质,多种形式的碳复合材料可以充分发挥其高比电容的优势。掺氮活性碳双层电容器能量密度可以超过130Wh/kg。

而定固态锂离子超强电容的内阻小、电化学窗口约4V,仅次于能量密度可以超过146Wh/kg,仅次于功率密度可以超过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平均50~100Wh/kg,也许能沦为新一代的规模储能技术,目前也于是以朝着商业化发展。在锂硫液流半固态电池方面,我们设计和制取了具备“自平稳”特性的电极浆料,流体电极稳定性低、流动性低、黏度较低、电导率低、倍率静电性能引人注目,能量密度平均400Wh/L。

流体电极循环性能方面,1C倍率循环1100周后容量维持51%,来回效应获得诱导。我们还反对间歇流动静电和倒数流动静电,也可以长时间流动充放电。未来未来发展被迫说道,动力电池步入了大发展。

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首先是高能化,从现在的200Wh/kg、300Wh/kg的目标朝未来500Wh/kg发展,甚至不会更高。其次是安全性,电解液从液态、凝胶往全固态发展。还有慢充化,从现在的几十分钟到几分钟,电池时间更加较短。

我指出这些目标一定能构建。而储能电池市场的潜力十分大,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、光储能市场空间未来将会超过1万亿元。我们在实验室研发了一个MW(兆瓦)级锂离子液流储能电池样板工程建设,将来期望超过10MW、100MW级别。

另外,我们要注目“后锂电”时代的几种电池。燃料电池必须提升能量转化成效率,重点解决问题催化剂中毒的问题。锂-空电池则要解决问题“锂枝晶”问题,其中电解质是关键。

到了2025年左右,金属锂电池也许不会步入大发展。说道了这么多,电池重复使用也是十分最重要的。我们国家的锂、钴、镍大多倚赖进口,其中国内卤水资源中的镁锂于多、研发可玩性大,云母矿品位较低;而钴的含量仅有占到世界的1.03%,消耗却占到全世界总量的50%,95%以上倚赖进口;镍含量仅有占到全世界总量的3.0%,消耗却占到全世界的20%以上,进口亲率低约60%。

电池重复使用是可持续发展的必由之路。另外,锂盐的供求关系必须高度重视。

数据表明,我国锂总储量名列世界第二,但锂产量仅有占到全球的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,我国市场需求总量将超过18万吨。

我们有适当创意盐湖托锂新工艺,比如浮锂母液没能有效地利用,必要外排造成了浪费,另外,高纯碳酸锂生产技术开发也是当前国际难题,这些情况都要提高。总结一起,材料革命将推展电池储能革命。从材料到电池的革命,将转变世界、转变生活。

要构建这个目标,我们必需建构电池储能的研发大平台。我在想要,深圳否能竣工一个确实的电池国家级平台?将大学、研究所、产业界的优势力量构建,联合搭起这个大平台,符合国家能源领域战略市场需求,反映国家意志、分担国家任务。这将沦为国家创意体系的核心力量。最后我想要彼得·德鲁克的话做到结语,“我们无法左右变革,不能回头在变革前面”,期望跟大家一起建构幸福的未来。


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