孫世剛院士：動(dòng)力電池創(chuàng)新發(fā)展要發(fā)現(xiàn)新機(jī)制、開(kāi)發(fā)新材料、構(gòu)筑新體系
11月18日-20日，第九屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2024)在中國(guó)上海舉行。本屆峰會(huì)以“向新·融合——開(kāi)創(chuàng)產(chǎn)業(yè)合作新時(shí)代”為主題，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合電池中國(guó)網(wǎng)共同主辦，廣東利元亨智能裝備股份有限公司總冠名。在峰會(huì)開(kāi)幕式環(huán)節(jié)，中國(guó)科學(xué)院孫世剛院士作題為《動(dòng)力電池的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新發(fā)展》的主旨報(bào)告。
以下是孫世剛院士主旨報(bào)告內(nèi)容：
非常感謝張雨秘書(shū)長(zhǎng)的邀請(qǐng)和介紹，感謝王秘書(shū)長(zhǎng)，各個(gè)公司的董事長(zhǎng)、高管、各位駐華領(lǐng)事館的總領(lǐng)事、參贊，大家上午好。
今天和大家分享的是《動(dòng)力電池的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新發(fā)展》。
剛才成會(huì)明院士從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化作了很好的報(bào)告，我側(cè)重在科學(xué)層面怎樣推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。
一、新能源汽車(chē)動(dòng)力電池
首先，新能源車(chē)現(xiàn)在的發(fā)展非常快，動(dòng)力電池利用可再生能有兩個(gè)方面，一是通過(guò)可再生能源生產(chǎn)燃料，比如把二氧化碳等轉(zhuǎn)化成燃料，這樣的燃料用作燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。二是通過(guò)動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。
在我國(guó)，動(dòng)力電池主要用于驅(qū)動(dòng)乘用車(chē)等，燃料電池則主要驅(qū)動(dòng)卡車(chē)等。
我國(guó)是全球新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度最快的一個(gè)國(guó)家，去年全國(guó)新能源汽車(chē)保有量超過(guò)2000萬(wàn)輛，但是占我國(guó)汽車(chē)總保有量的比例僅為0.6%。今年11月，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)量突破1000萬(wàn)輛，規(guī)劃到2035年，總銷(xiāo)量的50%左右是電動(dòng)車(chē)。
我國(guó)燃料電池車(chē)也在不斷發(fā)展，燃料電池車(chē)去年保有量是18000多輛。其中，在商用車(chē)領(lǐng)域，我國(guó)也是全球燃料電池商用車(chē)保有量最多的國(guó)家，規(guī)劃到2030-2035年達(dá)100萬(wàn)輛。
從我國(guó)總的車(chē)輛發(fā)展規(guī)劃來(lái)看，燃油車(chē)的銷(xiāo)量會(huì)逐步下降，而新能源車(chē)不斷增長(zhǎng)，滲透率不斷提升。
從全世界來(lái)看，中國(guó)新能源汽車(chē)的增長(zhǎng)也是很快的。不光是中國(guó)，還有其他國(guó)家，比如瑞典的總領(lǐng)事剛才談到了，他們也在大力推行電動(dòng)化綠色發(fā)展。
在動(dòng)力電池方面，從各個(gè)地區(qū)來(lái)看，中國(guó)的年銷(xiāo)量目前是最高的，但是隨著發(fā)展，中國(guó)占全球總銷(xiāo)量的比例會(huì)慢慢下降，但是總量會(huì)增加。而美國(guó)、歐洲等其它國(guó)家和地區(qū)的銷(xiāo)量占比會(huì)有所增加，這是一個(gè)趨勢(shì)。
這樣的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)對(duì)動(dòng)力電池提出更高的要求，不光是高能量密度、高功率密度，還有高安全性、長(zhǎng)壽命、寬溫域的適應(yīng)性，以及降低成本，這也對(duì)產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界都提出越來(lái)越高的要求。
二、動(dòng)力電池面臨的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新發(fā)展
動(dòng)力電池面臨哪些挑戰(zhàn)?如何創(chuàng)新發(fā)展?
從材料端來(lái)看，要尋找更高能量密度的材料，比如負(fù)極就是從硅碳到鋰，正極從磷酸鐵鋰到高鎳、到鋰硫、富鋰錳，這個(gè)發(fā)展的過(guò)程會(huì)不斷推高能量密度，我們?cè)趺窗阉玫綄?shí)際的車(chē)上或者用到老百姓的手上，需要我們解決很多安全性的問(wèn)題。比如用鋰金屬負(fù)極，它的克容量是石墨的十幾倍，但它很容易產(chǎn)生枝晶，由于枝晶的產(chǎn)生就造成安全隱患。
我們用高比容的材料首先提升電池的電壓，電壓提升，能量密度提升，但帶來(lái)的是會(huì)分解電解液，同時(shí)電極材料要求穩(wěn)定，所有這些都是我們需要解決的問(wèn)題。因?yàn)殇嚱饘僮鳛楦吣芰棵芏鹊呢?fù)極不光用到鋰電池，鋰硫電池、鋰空氣電池都會(huì)用到它，所以它所面臨的問(wèn)題非常重要，它的生產(chǎn)規(guī)律我們要去調(diào)控。
下面舉幾個(gè)例子說(shuō)明對(duì)鋰金屬，我們已經(jīng)看到了很多解決方案，比如通過(guò)人工SEI膜或者通過(guò)一些三維集流體或者固態(tài)電解質(zhì)等。我們從事電化學(xué)，從基礎(chǔ)研究角度看，最核心的是鋰沉積、溶解的過(guò)程，也就是鋰在溶解、沉積的時(shí)候我們能不能調(diào)控它，我們能不能認(rèn)識(shí)這個(gè)生長(zhǎng)規(guī)律，調(diào)控這個(gè)規(guī)律，使它不再形成枝晶。其中一個(gè)解決方案就是找到合適的添加劑。
舉個(gè)例子，我們通過(guò)這樣一種添加劑有效的抑制它枝晶的生成，這是基礎(chǔ)電解液加硝酸鋰，再加上六氟磷酸銀，這樣一種復(fù)合添加劑沉積一個(gè)小時(shí)后，復(fù)合添加劑的表面就很光滑，這樣一個(gè)復(fù)合添加劑抑制了鋰的成核生長(zhǎng)過(guò)程，使表面枝晶不再生成。
我們用一組電池對(duì)比來(lái)看，加上這個(gè)復(fù)合添加劑它的循環(huán)壽命大幅提升，如果沒(méi)加的話可能只有一兩個(gè)小時(shí)，十幾個(gè)小時(shí)就短路了，但有這個(gè)添加劑會(huì)把壽命延長(zhǎng)到幾千個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)。把它用到一個(gè)雙離子體系，我們可以有效的提升它的循環(huán)壽命、安全性。
這個(gè)安全性就是把液態(tài)換成固態(tài)，固態(tài)電池是現(xiàn)在討論和研發(fā)做的很多的課題，把電解液從液態(tài)換成固態(tài)電池后，首先它不燃燒，它的燃點(diǎn)會(huì)比較高，同時(shí)沒(méi)有液體受熱的風(fēng)險(xiǎn)，很多人想象它能不能抑制鋰枝晶，這個(gè)其實(shí)是大家很關(guān)心的。在固態(tài)電池里面鋰枝晶同樣可以生成，所以固態(tài)電池也要解決鋰枝晶帶來(lái)的安全問(wèn)題。
同時(shí)固態(tài)電池固固界面兼容性差，而且傳輸阻力大，動(dòng)力性也跟不上，這些都是我們需要面對(duì)和解決的問(wèn)題。
固態(tài)電池還有需要解決的難題，特別是技術(shù)難題、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化還存在一些較大的問(wèn)題，它的離子導(dǎo)電率低、界面效應(yīng)很差，這是兩個(gè)最大的需要解決的問(wèn)題。
對(duì)于無(wú)機(jī)固態(tài)電池電解質(zhì)，一個(gè)是氧化物，一個(gè)是硫化物。對(duì)于氧化物來(lái)說(shuō)機(jī)械和熱穩(wěn)定性好，但是離子電導(dǎo)率低。對(duì)于硫化物來(lái)說(shuō)，離子電導(dǎo)率比較高，它可以和液態(tài)電解質(zhì)差不多，但是熱穩(wěn)定性差，成本高。
這兩類(lèi)的固態(tài)電解質(zhì)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，界面問(wèn)題非常嚴(yán)重，做成電池的時(shí)候需要加上很多的大氣壓在一塊。在這部分的大力壓力下，電池的工作也是很難完成的。
所以我們想說(shuō)能不能回到更微觀的層次上解決這樣的風(fēng)險(xiǎn)，用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下界面層。界面層可以形成很好的界面，比如說(shuō)用鋰鈷氧，雖然說(shuō)是一個(gè)非常成熟的體系，但是現(xiàn)在在手機(jī)里面不斷的充電電壓，提高密度。
在這個(gè)過(guò)程，和我們用到固態(tài)電池的時(shí)候，同樣存在一個(gè)界面問(wèn)題。我們的想法就是我們用一個(gè)中介的物質(zhì)力鋰鈷鈦氧，用這個(gè)物質(zhì)做一個(gè)界面層。我們把界面層首先在鋰鈷氧粒子表面形成很薄的一層包覆層。形成包覆層以后的表征，就可以通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)可以有效的改善界面的兼容性，而且包括一些界面的電位也會(huì)發(fā)生變化。
在這種情況下由于包覆層存在，在一個(gè)中間層就把固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電極有效的形成一個(gè)共融的界面層，這個(gè)時(shí)候工作就不再加壓力了，我們直接裝成電池就可以很好的工作，而且循環(huán)、倍率性能也能夠跟得上，通過(guò)長(zhǎng)期的循環(huán)，有了界面層以后，粒子可以保存得非常好。如果沒(méi)有界面層，電極材料就破損了。通過(guò)離子，我們可不可以從微觀設(shè)計(jì)界面，有效的解決這個(gè)問(wèn)題，根本上消除界面的兼容性問(wèn)題。
再舉一個(gè)聚合物電解質(zhì)的例子，它的優(yōu)勢(shì)是良好的界面接觸、高柔韌性，而且很容易加工，缺點(diǎn)就是離子電導(dǎo)率低，而且電壓窗口比較窄，與正負(fù)極的匹配性能受到限制。我們?cè)趺礃咏鉀Q這個(gè)問(wèn)題?
比如說(shuō)從分子設(shè)計(jì)上面來(lái)解決它的問(wèn)題，把這幾個(gè)問(wèn)題克服，比如說(shuō)通過(guò)高聚物本身是一個(gè)固態(tài)電子，再用鋰金屬撐作一個(gè)骨架，再把鋰金屬配比放進(jìn)去，然后再把鋰元放進(jìn)去。用這種PFVS的電解質(zhì)就在把PFV作為骨架作為鋰元和鋰金屬。放進(jìn)去以后通過(guò)聚合物的嵌段與離子配位和快速離子通道促進(jìn)鋰離子的快速舞動(dòng)。
通過(guò)氟化聚合物電解質(zhì)的拓寬電解質(zhì)的電位窗口，這樣的原位聚合的電解質(zhì)和正負(fù)極都有很好的匹配性，顯著提升鋰金屬的電池循環(huán)性能。
當(dāng)我們進(jìn)行表征，首先這種聚合電解質(zhì)有高達(dá)0.82的鋰離子遷移數(shù)和0-5.1V的電位窗口，可以提升能量密度。
同時(shí)PFVS也有10(-4)Scm-1，而且表面活化能明顯的降低。可以和磷酸鐵鋰、高鎳三元材料、鋰金屬負(fù)極都有很好的穩(wěn)定性界面，循環(huán)性也很好。
進(jìn)一步提升電池的密度，要超越鋰的無(wú)金屬材料，也要想到鋰硫電池，能量密度理論上比金屬鋰電池高了十幾倍。
鋰硫電池的瓶頸是催化劑，因?yàn)榱蚴遣粚?dǎo)電的，而且反應(yīng)要催化劑進(jìn)行工作，要面臨多硫化物的穿梭效應(yīng)，還有解決鋰枝晶的問(wèn)題。
舉一個(gè)例子，怎么提升催化劑催化性能，在這種情況下我們引入了催化活性位點(diǎn)，我們用納米鋰原子柱作為催化作用點(diǎn)。有了這個(gè)原子催化作用力我們使它循環(huán)性能提升了兩倍以上，它可以保持長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)穩(wěn)定性，在鋰硫電池里從催化的角度來(lái)講催化位點(diǎn)這個(gè)活性位點(diǎn)非常重要，怎么使催化劑的性能更高，我們?cè)趺礃?gòu)筑更高活性的催化位點(diǎn)穩(wěn)定的循環(huán)。
最后大家關(guān)注的就是進(jìn)一步提升動(dòng)力電池性能，我們的金屬空氣電池或者鋰氟碳電池，這兩個(gè)可以得到更高能量密度的電池。對(duì)金屬電池用鋰、鋅、鎂都可以，但對(duì)這樣一些電池我們也面臨它的氧還原和氧分解物，氧氣作為它的正極反應(yīng)，所以它氧的還原和化合物的分解要合成雙功能的催化劑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氧的還原和氧化物的分解。
同時(shí)也要解決鋰金屬枝晶帶來(lái)的安全問(wèn)題，對(duì)這樣一個(gè)工作我們想怎么構(gòu)筑它的體系?它的優(yōu)勢(shì)是充電有比較高放電電壓，使它的能量密度高，缺點(diǎn)也很明顯，由于高的過(guò)電位所以很快的衰減。
但這樣一個(gè)電池體系我們可以考慮把它做成一個(gè)開(kāi)放式，一種就是現(xiàn)在的電池體系充電、放電是封閉的，大部分氧氣電池要開(kāi)放要與氧氣接觸，與氧氣接觸能不能把它放到空氣中運(yùn)行，這需要構(gòu)筑自呼吸的系統(tǒng)，這樣的一些研究帶來(lái)的問(wèn)題就更多，實(shí)際應(yīng)用還要解決很多問(wèn)題。
舉一個(gè)例子，把它做成一個(gè)封閉的鋰氧氣電池的系統(tǒng)，對(duì)這個(gè)鋰氧氣電池的工作原理，它負(fù)極鋰的氧化和還原對(duì)它的正極來(lái)看，如果做一個(gè)開(kāi)放的體系就是氧氣的反應(yīng)，氧氣生成氧化物，可以用這種氧化物之間可逆的轉(zhuǎn)換做一個(gè)正極反應(yīng)，把它作為一個(gè)載體可以做成封閉體系。
這個(gè)氧可以生成超氧化鋰、過(guò)氧化鋰和氧化鋰，但每一步都會(huì)發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，可以用來(lái)做儲(chǔ)存，我們可以把超氧化鋰和過(guò)氧化鋰作為一個(gè)封閉體系，它作為一個(gè)可逆的轉(zhuǎn)化作為一級(jí)，也可以把過(guò)氧化鋰和氧化里作為一級(jí)，總之它們都可以做一個(gè)氧化還原對(duì)做成一個(gè)封閉的電池體系。
比如從過(guò)氧化鋰到氧化鋰有一些報(bào)道，但電壓要小于3V，因?yàn)楦哂?V就會(huì)產(chǎn)生氧氣，產(chǎn)生氧氣就不再是一個(gè)封閉電池了，所以我們想用超氧化鋰和過(guò)氧化鋰做，我們可以讓它的電壓升高到3.6V，關(guān)鍵就是我們?cè)趺捶€(wěn)定超氧化鋰否則氧氣很容易析出。所以我們采取的方案就是用石墨烯這樣的材料來(lái)穩(wěn)定超氧化鋰，使得這樣的物質(zhì)可以反復(fù)進(jìn)行。
把它做成一個(gè)封閉體系后可以做很長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)，一般的鋰氧氣電池循環(huán)100周、200周就很長(zhǎng)了，這個(gè)可以循環(huán)到700周以上而且非常穩(wěn)定。
三、總結(jié)
最后做一個(gè)總結(jié)，我國(guó)新能源汽車(chē)擁有量預(yù)計(jì)今年將突破3千萬(wàn)輛，占世界新能源汽車(chē)總量的一半以上。在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，將進(jìn)一步快速增長(zhǎng)。
動(dòng)力電池面臨不斷提升能量密度、功率密度、安全性、使用壽命、極端環(huán)境適應(yīng)性和降低成本的重大需求和挑戰(zhàn)。
加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新機(jī)制、開(kāi)發(fā)新材料、構(gòu)筑新體系，是動(dòng)力電池創(chuàng)新發(fā)展的源泉。
最后，感謝大家，謝謝。
(以上為嘉賓演講內(nèi)容速記，未經(jīng)嘉賓核對(duì))
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