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    唐有根:高能量密度鋰離子動力電池的研究

    發布日期:2020-11-06

    核心提示:由深圳市電池行業協會、第一鋰電網共同舉辦的2020中國國際鋰電技術發展高峰論壇于11月2日-3日在深圳會展中心盛大召開。本次論壇
     由深圳市電池行業協會、第一鋰電網共同舉辦的“2020中國國際鋰電技術發展高峰論壇”于11月2日-3日在深圳會展中心盛大召開。本次論壇以“新技術、新應用、新發展”為主題,推動企業交流發展。

    中南大學化學電源與材料研究所--唐有根教授的陽如坤總在本次中國國際鋰電技術發展高峰論壇做了《高能量密度鋰離子動力電池的研究》的主題演講,現場演講實錄如下:

    微信圖片_20201106170759


    唐有根:感謝組委會提供這樣一個機會,給大家分享一下高能量密度鋰離子動力電池的研究。我來自學校,談主觀的東西多一些,說的不一定對,請大家多多指導。分這么幾個內容來給大家做匯報:鋰離子電池的發展、高能量密度離子電池、高鎳三元正極材料的研究、硅碳負極材料的研究、高能量密度鋰電池電池的開發。

    去年鋰離子電池得到社會認可,獲得了諾貝爾化學獎。1974年斯坦利•威廷漢提出了Li/TiS2電池,二硫化碳是一個層狀物質,可以實現鋰離子的嵌入和脫嵌。電池反應通常是電化學氧化還原,在這里還是氧化還原,但是通過鋰離子的遷移來實現氧化還原,所以,從這個層面是全新的概念。盡管當時提的基本上沒有太多實用價值,但是開啟了鋰離子電池的概念。到1980年古迪納夫提出LiCoO2做正極,這個材料是容量高,循環壽命有比較大的提升。1985年吉野章提出用碳材料代替鋰負極,具有實用性。1991年日本索尼公司推出了首個商用鋰離子電池。也就是說,鋰電池從1990年到現在也就是30年的時間,但是對社會起了巨大的作用。

    鋰離子電池的應用大家都很清楚:消費、動力和儲能,這三大領域。哪一塊的市場都非常的巨大,所以鋰電池在相當長的一段時間里,還是市場非常巨大的,什么時候投資、什么時候建都不晚,這個市場非常非常的大。

    發展來看,1990年實現鋰離子電池的產品,動力電池規模發展是2013年,2013年開始,在車廠開始應用。國家推行“十城千輛”政策,動力電池逐步推廣應用,應用市場和范圍是很廣泛的。從現在的發展來看,產量、市場在擴大,但是從企業數量來看,大的企業占比集中度在提高。在動力電池來看,現在基本上是鐵鋰和三元占主要市場,這是在動力上。從高能量密度來說,三元是受到比較大的關注。鐵鋰自身能量密度、結構體系有較大改善,在動力市場上也有一些提升。這兩塊未來誰為主?目前來看都是會有比較大的市場份額。

    高能量密度電池發展,國家在相當長的時間都提出了,也就是車的行駛里程需求。從政策上來看,相當長時間都在推動高能量電池的發展,很多方案和國家的政策都在支持發展。2020年是到300Wh/Kg體系,再往高的發展,可能是現有體系的高鎳材料、負極的硅碳、固態或者是全固態,從這些方面提升。近期在做產業和應用來看,基本上還是高鎳三元正極配硅碳負極,是300Wh/Kg主要的路線,科技部這幾個重大的專項都是按照這一路錢在運行。

    高能量密度電池,就是你的電池發展,材料決定了性能。從能量密度角度來看,硅碳負極和三元正極來配合發展,更高的能量密度從未來的金屬負極,就是鋰金屬負極,還是以高鎳和鋰負極,這個材料來提升最終的性能。從正極來看,NCM和NCA更好,但是鋰負極材料有更大的潛力,鋰負極材料目前制備的難度還是比較高的。能量密度如何提升?通過這樣一些方法來實現正極的能量提升。

    對應到負極材料來看,希望負極材料電位低一點,容量高一點,現實是有實用價值的還在碳和硅組合的方面,有很多的符合材料。負極容量提升要保證預鋰化、碳包覆。不同材料的發展,在現在來看是有中間的三元材料、磷酸鐵鋰、石墨,目前石墨和碳來發展,高鎳材料和硅碳材料,配合著隔膜和安全性電解液,有相應的一些發展來提升和滿足高能量、高安全的需要。

    來看一下富鎳/高鎳的材料體系,0.8以上的體系來看,實際上的比容量是在180以上。高鎳材料的優勢是非常顯著,在很多場合能替代其他的材料體系。從現在的應用情況來看,NCM811和NCA基本上能達到300Wh/Kg的要求。相對其他的NCM523、NCM622的能量密度還是有較大的提升。

    富鎳/高鎳循環性能不佳、高溫性能差、安全問題嚴峻和界面不穩定,這些都是需要改進的地方。摻雜也是有多種方面,改善是包覆硫酸鹽、有機氨等多種材料,還有單一和許多的包覆體系。除了包覆摻雜,還有梯度材料,降低材料表面的鎳,內部還是高鎳的,配電解液來解決。

    除了剛剛說的摻雜、包覆和梯度材料,這是我們做的一個工作,氧化鋯和氧化鋁的摻雜和包覆同時進行,這也能有效地改善性能。

    這個是摻雜包覆進來之后從結構上和性能上看,金屬明顯得到了抑制,從性能上都有比較好的表現。

    我們也做了痕量ZrB2摻雜之后陽離子確實有降低,這是比較好的效果。

    這是痕量摻雜性能指標的體現,從結構上改變、從性能上提升了。

    這是我們引用偏磷酸鋁做包覆的材料,將材料表面參與鋰轉化為有益的包覆物。包覆之后的性能是很明顯得到提升的。

    另外,在三元材料上做一些修復工作,修復之后性能得到了很大的改善。

    負極能量密度,這是用的負極材料,金屬硅能量密度高,但是也有缺點。硅負極非常關注,優勢也明顯,缺點也比較突出。首先是納米化,從納米化和分包來提升。它的問題是可以通過復合材料,最有效是硅碳材料。硅碳復合材料有這么一些方法,叫分散、包覆和嵌入,包覆的也有幾種。

    硅碳納米復合材料研究也有一些工作,通過碳包覆硅納米顆粒來改善性能,也可以具有內空隙的材料,通過這種包覆能得到穩定的電解質膜,結構性和穩定性提升了。

    這是硅-石墨烯改善導電的性能,非常好的和明顯的變化。這是碳材料。

    這是氧化硅和碳納米復合材料,它的穩定性和倍率性都能提高,改善它的作用。

    硅碳負極研究,首先是硅納米顆粒度,再就是硅碳材料的復合/工藝等。

    高能量密度鋰離子電池的開發列入湖南省重大專項,妙盛做電芯,還有杉杉正極,星城石墨負極,中鋰參與隔膜,設計課題是四個,電池工藝、電池材料、隔膜、電池安全性等。材料的選擇、電芯,特別是妙盛的電池,這就是一個均衡的管理系統的工作。

    電芯涉及到多個方面,有些在實現,從電化學、化學安全、結構和應用,從多方面來考慮安全的問題。

    正極是高鎳材料,加固穩定性、表面的參數、結晶的混合等等。
    負極主要是硅納米化、納米硅。
    隔膜是提高隔膜強度,高分子材料改善穩定性,還有加工功率的方法來提升。
    安全性的研究就是多方面的考慮,主要是從材料的穩定性、電芯的多方面配合,來實現安全的考慮。

    整個課題是這么一些創新的條件,電池快充、均衡散熱,這個是電芯系統來考慮。從控制中,預判的識別;正極材料、負極材料相應的繼續改善,隔膜提升安全性和穩定性,在這里有一些穩定性的實現。能量密度提升、穩定性和壽命的改善,這個課題在今年底準備驗收。
    這是我們團隊的情況和得到的相關支持,我給大家就匯報到這里,謝謝。

     
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