动力电池产业发展概况 未来技术路线及其目标分析

      1月16日,2018首届中国(成都)新能源汽车高峰论坛在成都盛大开幕，现场超过900人次参加本次峰会。中国工程院院士,北京理工大学教授吴锋在大会上做“动力电池产业发展现状及未来技术路线”重要演讲。

      高性能二次电池是当前国际研究热点，作为一种高效、可循环使用的能量转换与存储方式，它已经成为未来一系列高技术发展中的重大需求，成为可综合缓解能源、资源和环境问题的重要技术途径，成为电动车辆、规模蓄电池的重大应用的关键环节。电动汽车只有和削峰填谷、风光电存储、智能电网等结合起来才是绿色的，要不然特斯拉就不可能在新加坡被罚。
      动力电池产业发展概况及其目标分析
      我国近五年来新能源汽车发展迅速，从产量和保有量都提高了100倍。从区域来看，目前新能源汽车产业主要集聚在长三角、珠三角、京津地区和中原地区，没想到成都现在发展也这么猛，而且已经初步形成了产业链。
      据统计，2015年车用动力电池装车量达到163亿瓦时，2016年达到281亿瓦时，2017年预计350亿瓦时，2020年需求在1000亿瓦时。但是，2017年电池行业的年产能规模预计达到2000亿，超过200家电池企业有产能，产能明显过剩，但高端产能严重不足。
      （1）动力电池的目标分析
      动力电池的指标，主要包括安全性、寿命、续航里程、成本和环境适应性。“十三五”的目标，国家有一个重大的单体专项，提出来单体锂离子电池能量密度、循环寿命、成本都有指标，但是如何实现这些目标，而且要兼顾安全性、循环性和倍率等要素。现在特斯拉的续航里程比较长，续航里程一个是提高电池的比能量，还有是多装电池，一般是倾向前者，追求电池的高比能又如何避免电池爆炸？
      我国锂离子电池技术目标分为近期、中期、远期的三个方面，前期动力电池比能量300Wh/Kg，中期实现400Wh/Kg，远期实现500Wh/Kg。如果要实现每公斤300Wh/Kg，正极容量需达到200mAh/g，负极容量需达到500mAh/g。作为新一代的锂离子电池，如果正极大于400mAh/g，再加上固态电解质、陶瓷隔膜等材料，也有可能实现500Wh/Kg，新一代锂离子电池也有可能成为我们远期的目标之一。
      （2）新一代锂离子电池成为企业近远期的目标之一
      团队做了一个高倍率富锂锰基无钴的项目，还通过离子交换法构建表面尖晶石3D通道，同时包覆氧化铁纳米颗粒，综合改善倍率性能和循环。
      北京大学夏定国教授的高比能动力电池的关键技术和相关技术科学问题研究，他的目标是400Wh/Kg，循环寿命大于300次的新型锂离子电池。
      南京大学朱华生教授曾表示，南京大学用拉曼原位看到氧从1价到2价的可逆反应，即包含了2电子反应。现在的锂离子的反应已经不是单纯的1电子反应，它已包含了2电子反应。现在可实现富锂锰基正极400mAh/g的比容量，还可以提高。以有机为工业生产过程中产生的工业废料为多孔硅原料，以明胶为碳源，制备出容量高的电池。正极负极，我们在电解液方面也需要做一些突破，也需要一定的络合型添加剂。
      高能电池面临挑战与技术路线研究
      现在高能电池面临高比能挑战，其中发展最迅速的锂离子电池面临资源缺乏的威胁，碳酸锂的价格就涨得很猛。吴锋教授表示，在2002年开始主持国家973锂离子研究项目中，提出了轻元素多电子多离子反应，项目组认为要提高能量密度就必须打破单点的反应，通过多变量效应来实现。
      （1）锂硫电池研究
      针对导电性差、高比容电极与电解质适配难度大、影响电极稳定性三个难点，通过对不同电解质的多元优化和对符合硫电极的表面修复。并且基于氧化锌纳米片的导电插层基于聚多巴胺的高粘性将导电和纳米硫在纳米尺度进行粘合，这样正极可以避免循环过程中体积变化引起的导电碳脱离活性物质。还利用费歇尔酯化的模块组装方法，将分散的导电碳组装为椭球形的微米超结构。北京理工大学等团队现在制备出了能量密度达到460Wh/Kg的锂硫电池，但不能用在车上，可以用在无人机上。
      （2）铝离子电池研究
      团队在多电子反应铝二次电池方面进行了研究，针对铝的表面钝化和铝离子嵌入反应困难等问题，通过金属铝电解质相界面重构，设计具有开放结构的大隧道正极材料，实现了铝离子的三电子嵌入反应，构筑了铝二次电解质系统。在多孔镍集流体上原位生长出无粘合剂新型金属氧化物电极，病灾离子液体电解液的多阴离子协同作用下进行脱嵌反应。同时，团队很看好固体电解质材料，研制了新一代固体电解质材料，并且跟厦门大学共同研发高功率储能器件，能量密度接近锂离子电池。
      （3）电池安全材料与安全系统研究
      在电池安全材料与安全系统方面，通过对温度敏感电极，陶瓷高强隔膜、安全电解质的协同配合来提高电池安全性。如研制出电化学窗口宽高达4.8V的电解液，以及凝胶固态电解质，可以在高温中使用。
      另一方面，安全问题还取决于电池系统，吴锋教授提出了电池系统安全阈值边界的概念，并且开发出安全性识别与控制技术，通过建立安全状态数学模型，将量化的安全度实时显示在电动汽车仪表盘上，给司机提供一个可视化的主动安全预警。
      （4）动力电池回收与资源化利用
      废旧锂离子电池电极材料的回收与资源化利用，受到越来越多人关注，因为废旧电池对环境的压力和资源的压力都越来越重要。我们采用将天然有机酸，比如苹果酸、抗环雪酸等进行利用。近年来由研发出天然琥珀酸，绿色高效回收技术，由原来的94%提高到99%。
      小结：动力电池迅猛发展，目前有近200多家电池企业，呈现出产能过剩，但高端产能不足等特点。面临着补贴退坡，各类政策更新较快，跨界融合局面打开，每一个行业都在整合、都在交叉、相互渗透。