WNEVC 2020 | 吴锋:新型绿色智能二次电池将伴随我们迎来更加美好的明天!

2020-09-29

2020年9月27-30日,第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开,本次大会以“共克时艰、跨界协同、合作共赢”为主题,为进一步加强国际交流与合作,加速突破新能源汽车市场化障碍,加快推进“电动化、智能化、共享化”融合发展,由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监督管理总局共同举办。在9月29日上午举办的“新能源汽车技术创新与跨界协同”全体大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋发表了精彩演讲。

 

 

2020年9月27日-30日召开的2020世界新能源汽车大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋发表了精彩演讲,其主要内容与观点如下:

1. 二次电池是当前国际竞相研发的热点,动力电池市场竞争激烈,面临“洗牌”危机;中国动力电池总体产能过剩,优质产能不足。

2. 为创建高比能二次电池新体系,本团队提出采用轻元素、多电子、多离子反应体系实现电池能量密度跨越式提升,打破了单电子反应(n=1)的思维定式,研制出能量密度为651 Wh/kg的多电子锂硫电池。

3. 发展了新一代动力电池的共性技术,包括:阴阳离子协同电荷补偿机制与相关材料技术、电池安全技术、长寿命柔性电池技术、反应界面构建与调控技术、电池回收技术、低成本电池材料与技术。

4. 展望未来:如何使电池系统寿命接近单体寿命?如何实现电池系统从模拟到数字的创新?要发展智能电池和动力电池的智能化制造。

5. 新型二次电池作为能源转化与储存的重要环节,面临着新的挑战,要从基础研究和新材料、新技术、新工艺入手,特别要注意具有颠覆性的创新;做到人无我有,并形成产业链,瞄准市场,才能使企业长盛不衰!应对熵增,实现超越?需要系统开放、智能化和有外力做功的清洁能源, 随着核心技术的不断突破,新型绿色智能二次电池将伴随我们迎来更加美好的明天!         

 

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的万钢主席,尊敬的陈清泰理事长,尊敬的各位领导,各位来宾,大家上午好!我今天是第一个发言,属于抛砖引玉。

我要讲的主题是:动力电池及其关键材料的研究与展望。大家知道二次电池是当前国际竞相研发的热点,已成为新一代信息通讯、电动汽车、储能电站与能源互联网等重大应用的关键环节。2013年美国麦肯锡全球研究所提出的12项改变世界的颠覆性技术报告中,就有4项与其相关。在国家相关的科技规划中都明确提出了重点支持动力电池关键材料、电芯、系统等技术研发,并将提升电池能量密度作为关键指标。昨天一些专家的报告里也讲了,电动汽车从发明到现在已经100多年了,它当时衰落的主要原因之一就是它的续驶里程很难和燃油车相比,当时用铅酸电池充一次电还跑不到100公里。

大家知道2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池,当时的获奖词是“重量轻,可充电的锂电池现在被用到手机、笔记本电脑、电动汽车等等领域。它还可以储存大量来自太阳能和风能的能量,使一个无化石燃料的社会成为可能——创造了一个可充电的世界。”正是锂离子电池的问世,特别是将它用于电动汽车以后,对电动汽车的再一次兴起和发展无疑起到了一个很重要的推动作用。

屏幕上的这张照片,中间这位是美国的Whittingham教授,也就是2019年诺贝尔化学奖的获得者之一。每次我主持的中美电动汽车与电池技术研讨会他都参加并做演讲,这张照片是我的一些研究生和他一起照的,学生们在去年诺奖颁布后看到这张照片时诙谐地说:我们觉得现在离诺贝尔奖越来越近了。

众所周知,现在动力电池竞争激烈,面临着“洗牌”危机。2019年全球动力锂离子电池装机量为112.6 GWh,目前日韩动力电池企业装机量是50.4 GWh,占比44.8%;中国动力电池企业装机量是62.2 GWh,占比52.2%。值得注意的是,在中国的62.2 GWh中,前十家企业的装机量就达到了54.65 GWh,只剩下7 GWh由另外上百家企业竞争。所以中国的动力电池是总体产能过剩,优质产能不足。为了使电池能够更好满足新能源汽车的要求,能够有更长的续驶里程,我们需要创建高比能二次电池的新体系。

我们的团队连续三期承担国家“973”项目,从2002年开始到2019年12月结题,进行了17年不中断的研究。这期间,我们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年提出的项目计划任务书中的多电子新体系电池能量密度指标是300 Wh/kg,当然这是五年后要实现的研究指标,不是产业化指标。当时美国、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,在项目结题时我们基于多电子新体系终于完成了这个指标。在第二期“973”项目中,我们提出了基于轻元素的多电子反应,能量密度达到了350 Wh/kg。在第三期“973”项目中,我们又提出轻元素多电子多离子反应,实现了能量密度大于500 Wh/kg的指标,我们现在所做的多电子高比能新体系电池的能量密度已经达到了651 Wh/kg。

多电子高比能电池的一个示例是锂硫电池,硫的来源很广泛,硫黄如果能够作为原料的话就很便宜。但在锂硫电池研究中还存在硫电极导电性差,比容量难以发挥,高比容电极材料与电解质适配难度大和穿梭效应等很多问题,我们通过设计三维导电网络,纳米孔限域、聚合物包覆,对电极和隔膜界面修饰及对离子液体基功能电解质的多元优化等技术,实现了电极的高比容量,抑制了穿梭效应,提高电池的循环稳定性和安全性。构建了多电子的高比能锂硫电池体系,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。现在锂硫电池的安全性仍是大家都十分关注的问题,我想今后应通过固态化技术来进一步解决,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;还有就是它的高的体积能量密度还不够高,影响了在新能源汽车上的使用,需要进一步通过对电极材料的改进来解决,现在也已经有比较大幅度的提升;第三是循环寿命还有待进一步提高。现在锂硫电池也是国际上关注的一个电池体系,它现在已经用在了无人机上,但是对于新能源汽车我觉得还有很多工作需要做,但是路是可以走通的。

下面我再介绍一下我们“973”团队在发展新一代动力电池的一些共性技术,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子反应,我们通过正极材料的多元化,特别是在富锂锰基正极材料,通过原位的拉曼光谱可以看到氧的参与,因此这时的锂离子电池已经由单原子反应向多原子反应过渡。过去有人说锂离子电池的极限能量密度是250 Wh/kg,现在我们一些企业在承担国家“十三五”重点专项中中都已经做到了300 Wh/kg,有的学校还达到了400 Wh/kg的研究目标,就是因为这里面的反应机制变了。

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,因为新能源汽车一有安全事故往往就是电池爆炸起火。我们17年来围绕安全问题进行了很多研究工作,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,提出并建立了电压敏感隔膜、难燃、不燃电解液等单体电池安全的保护机制,提高电池本征安全性。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安全方面的技术支持。

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。

第四方面是反应界面构建与调控技术。因为现在人们对电池的快充提出了要求,所以我们也发展了兼具能量密度的高功率电池体系,通过电极表面的结构和界面功能调控,提升了功率特性;通过电极过程的活化调控,建立了兼具能量密度的高功率电池新体系;通过单位点活化、双位点耦合、双功能催化、增强吸附,实现了电池在达到功率密度3000 W/kg的同时,能量密度达到122 Wh/kg。在下午的动力电池峰会上厦门大学的董全峰教授还会对此做更详细的介绍。

第五方面是电池的回收技术。随着电池用量的不断增大,特别是以后储能电池用量急剧增加,在电池回收方面我们发明了采用天然有机酸(苹果酸、抗坏血酸、柠檬酸、琥珀酸、马来酸)和双氧水体系,对废旧电池正极材料进行回收处理与再生,得到了较高的金属浸出率(Li, Ni, Co, Mn的浸出率>95%) ,再生的NCM电化学性能优良,提出了电池材料的绿色再生机制和实用化技术途径。避免了在再生过程中的二次污染。天然有机酸的浸出率优于传统采用硝酸、盐酸的强酸法。

第六方面是低成本电池材料与技术。大家现在对成本也非常敏感,现在大家除了研究低钴、无钴的锂离子电池正极材料外,还在加紧研究钠离子电池,由于在富钠材料中,同样看到了氧的参与,所以钠离子电池的能量密度还有提升的空间。我想如果把钠离子电池做成水系电池,而且成本低于每瓦时0.3元人民币的话,它将有一个非常广阔的发展空间。

下面谈谈关于未来的技术展望:

新能源汽车将成为能源互联网的一个核心单元,电池作为其中一种关键电化学能源转化与储存器件,从发明200多年来一直采用固定串并联的系统成组方式放大了电池单体的差异性和非线性,造成电池系统的短板效应,进而造成效率、成本、可靠性和安全性等应用问题。目前电池系统循环寿命远低于单体循环寿命,如何从根本上克服短板效应,将系统寿命做到接近单体寿命。

现在锂离子电池不断更新换代,下一步的电池到底是什么?当然我们可能在电池材料体系方面还会做一个很大的更新,在电池的制备体系还会做一个很大的改变。过去万主席常对我说,你们这个能不能变一变。我们也一直在想,一直没敢懈怠。

今天我要讲的是如何实现电池系统从模拟到数字的创新?目前的电力电子器件已经可以在纳秒级离散化一个数百安,上千伏的能量流,进而采用数字信号处理的手段对离散化数字化的能量流进行信息化处理,消除能量产生和使用中的不确定性和非线性。就电池系统而言,可以将电池单体容量首先进行“格式化”,使其成为一组“能量片”,通过采用信息系统与能源系统深度融合的能源互联网模式,数字储能技术将互联网屏蔽终端差异性的技术引入到电池系统,将传统的刚性串并联连接转变为程序控制的柔性连接,从而消除电池单体之间的差异性,实现电池系统从模拟到数字的创新。

大家昨天讲现在都在走向数字化,我想电池也是如此。所以在能量信息深度融合的大背景下,电池行业将会有以下的发展趋势。一个是5G时代需要大量的自主供电传感器系统,另外一个就是电池单体的趋势是半导体化。如果固态电池和电容可以采用半导体工艺制备,得到的DRAM的电池芯片,这将极大的提升终端的供电能力支持半导体工艺,即储能器件的半导体化。电池单体在生产过程中将与信息系统紧密耦合形成数字电池即智能电池,类比于磁盘到硬盘的变革;发展智能电池和动力电池的智能化制造,将开启二次电池数字化的新飞跃。

我们的“973”项目团队包括北京理工大学、中科院物理所、武汉大学、厦门大学、清华大学、南开大学、吉林大学、国家高技术绿色材料发展中心等。

结束语:大家知道能源革命悄然临近,我们已经身处其中,光伏、风电、储能、新能源汽车等分布式能源的发展,将极大地改变全球能源的生产、传输和消费方式,将会改变人类生活甚至地缘政治格局。

新型二次电池作为能源转化与储存的重要环节,面临着新的挑战,要从基础研究和新材料、新技术、新工艺入手,特别要注意具有颠覆性的创新;做到人无我有,并形成产业链,瞄准市场,才能使企业长盛不衰!然而创新不是炒作,不能急功近利,否则就会是昙花一现!产业取决于市场,不能揠苗助长,否则就会是过眼云烟! 

有人说:“如果物理学只能留一条定律,我会留熵增定律(吴国盛)” 。有人说:“熵增原则是自然界所有定律中至高无上的” (爱丁顿)。有人说:“人活着就是在对抗熵增定律,生命以负熵为生。”(薛定谔)我想今天的人、企业和社会也是如此, 如何对抗熵增,实现超越?需要系统开放、智能化和有外力做功的清洁能源, 随着核心技术的不断突破,新型绿色智能二次电池将伴随我们迎来更加美好的明天!         

谢谢大家。

 

(注:本文根据现场速记整理)