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汽车|WNEVC 2020 | 吴锋：中国动力电池总体产能过剩 优质产能不足( 二 )


我们的团队连续三期主持国家“973”项目 ， 从2002年开始到2019年12月结题 ， 进行了17年的研究 。 这期间 ， 我们团队率先提出采用轻元素、多电子、多离子反应体系实现电池能量密度跨越式提升的学术思想 ， 打破了单电子反应(n=1)的思维定式 。 我们在2002年提出多电子反应 ， 当时提的能量密度指标是300 Wh/kg ， 当然这是研究指标 ， 不是产业化指标 。 可是当时美国和日本的USABC和阳光计划里面的能量密度指标分别是150和200 Wh/kg ， 当然我们的指标是基于多电子的新体系上建立的 。 到了第二期“973”项目 ， 我们推出轻元素多电子反应 ， 能量密度就达到了350 Wh/kg 。 第三期是轻元素多电子多离子反应 ， 我们现在所做的新电池能量密度已经达到了651 Wh/kg 。
屏幕上显示的是一个多电子高比能锂硫电池 。 硫的来源很广泛 ， 硫黄如果作为原料的话就很便宜 。 但是这里面有很多问题 ， 包括穿梭效应等 ， 所以我们在这引入氧化还原介质概念 ， 提升界面反应动力学特性；引入沉积骨架概念 ， 捕获多硫离子 ， 沉积再利用 。 关键是要通过隔膜正极侧界面的设计提高活性物质的循环稳定性 ， 因为穿梭效应影响了它的循环稳定性 。 在负极侧是金属锂 ， 容易产生安全问题 。 所以我们设计了隔膜负极侧人工层 ， 用来稳定金属锂的界面 。 在电池研究中 ， “界面”问题是大家越来越关注的问题 ， 包括以后的固态电池也同样存在界面问题 。 结合刚才说的硫正极、功能隔膜、金属锂的修饰技术 ， 构建了高比能锂硫电池体系 ， 这是一个两电子的体系 。
我们采用模块组装模式构筑微米级的超结构 ， 研制出能量密度为651 Wh/kg的锂硫电池 ， 并通过第三方检测 。 我想说的是 ， 现在锂硫电池的安全性大家都十分关注 ， 这就有待于电池来解决安全性问题 。 解决方案第一是把它固态化；第二是提升它现在还不够高的体积能量密度 ， 这个要通过在负极对金属修饰来进行改进 ， 现在也已经有比较大幅度的提升；第三是循环寿命 ， 现在我们也都在采取一些新的方法 。 现在锂硫电池也是美国以及其他各国关注的一个电池体系 ， 它现在已经用在了无人机上 ， 但是对于电动汽车我觉得还有很多工作需要做 ， 但是路是可以走通的 ， 后面还有很多问题需要解决 。
我们团队发展了新一代动力电池的共性技术 ， 这里主要是指新一代锂离子电池 ， 包括下面六个方面 。
第一方面是阴阳离子协同电荷补偿机制与相关材料技术 。 原来我们讲锂离子电池是单电的反应 ， 我们通过在正极侧引入多元元素 ， 特别是负离母极的铸件 ， 通过原位的拉曼光谱可以看到氧参与了其中 ， 所以锂离子电池已经由单原子反应向多原子反应过渡 。 过去日本的锂离子电池极限能量密度可以达到250 Wh/kg ， 现在我们许多企业都已经做到了300 Wh/kg ， 有一些单位还做到了400 Wh/kg ， 就是因为这里面反应机制变了 。 正极材料能量由于它的多电子反应 ， 现在能量密度也可以达到300或400 Wh/kg ， 这个是容量 ， 所以电池极限能量密度能够达到350—400 Wh/kg 。
第二方面是电池安全技术 。 昨天很多人都提到关注安全技术 ， 一些专家也讲到安全技术是下一步发展动力电池的一个前提 ， 所以安全技术当然很多就落在电池头上 ， 一有安全就是电池爆炸起火 。 我们这17年来围绕安全问题做了很多工作 ， 我们发展了三种具有智能识别功能的安全型电极材料和不燃或者难燃的电解液 ， 并且建立了电压敏感隔膜 ， 就是提高电池本征安全性的机制 。 另外我们还提出了建立电池系统安全阈值边界控制与识别的方法 ， 在这个基础上衍生出电池系统的安全度评价模型 ， 与实时监控的体系 ， 为解决动力电池规模应用提供了技术支持 。
第三方面是长寿命柔性电池技术 。 我们通过低应变电极材料构建柔性的反应界面 ， 设计有效的分形电极结构 ， 基于表面修饰的对称型电池 ， 循环寿命达到25000次 。


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