鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1262次 | 2018年09月15日
車用動力鋰電池及其正極材料技術(shù)發(fā)展研究報(bào)告
在11月13日成都召開的2014年第二屆中國(成都)鋰電新能源產(chǎn)業(yè)國際高峰論壇上,北京大學(xué)教授、本次論壇學(xué)術(shù)委員會主席其魯做了《車用動力鋰電池及其正極材料技術(shù)發(fā)展研究》的專題報(bào)告。以下是其魯教授的演講報(bào)告:
其魯:大家下午好。
又一次有機(jī)會能夠利用二三十分鐘的時間把我們過去的工作做一個總結(jié),非常高興。
今天我要講的是和汽車有關(guān)的車用鋰離子電池和相關(guān)的關(guān)鍵材料。在國內(nèi),我們搞了十多年的鋰電池材料、鋰電池,也涉及到了很多電動車方面的工作。
有幾個問題需要關(guān)注一下,在過去的十多年當(dāng)中,中國的電池材料、電池、電動汽車的發(fā)展,就像波浪一樣,有高有低,也遇到了各種各樣的問題。
今天我主要想從幾個方面強(qiáng)調(diào)一下,強(qiáng)調(diào)的依據(jù)就是大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電動汽車到了今天,追求的是安全性和可靠性,另外一個是舒適性。所以對電動汽車毫無疑問提出了另外的要求,像上午幾位專家提到了一樣,行駛接續(xù)的問題、安全問題、可靠性問題、成本問題等等,有些問題是可以考慮解決的,有些問題完全可以從材料的角度、電池的角度把它處理好。比如電池的正極材料,高電壓、高容量、高密度是我們研究和追求的非常重要的方向。高電壓和高容量,大家比較容易理解。但是高密度的問題,到目前為止在這個問題上還有些混亂。舉兩個例子,除了正極材料當(dāng)然也有負(fù)極材料,在過去的二十多年當(dāng)中,不斷有人從納米材料、碳纖維、石墨稀等這些角度做過很多文章,在這些文章中都在說電池未來應(yīng)該是如何的、電動汽車是如何的,但是在大量的實(shí)際當(dāng)中發(fā)現(xiàn),尤其這些納米材料。物理密度低于微米的、顆粒直徑小于微米的納米材料,事實(shí)上在電池的應(yīng)用中是非常麻煩的。在制作過程中出了問題,密度小,基本上不是高功率的電動汽車需求的電池。還有一個問題是在常溫和低溫下需要非常良好的導(dǎo)電性,導(dǎo)電性的問題在過去的五年當(dāng)中,表現(xiàn)矛盾尤其突出。有很多電池在常溫下可以正常工作,但是接近零度的時候,容量繼續(xù)衰減,變換性能受到很多影響,到了零下十度、零下二十度的時候,電池性能損失極其嚴(yán)重。最近和東北地區(qū)的搞電動汽車的朋友們討論過這方面的問題,很少有人敢把鋰電池拿到東北的電動汽車上做測試。所以,電池不僅在好的常溫下有好的性能,歸根到底就是它的導(dǎo)電性,另外在低溫下也要關(guān)注這個問題。熱穩(wěn)定性是直接導(dǎo)致電動汽車安全性的重要因素。
從電池的角度,我們要考慮到它的安全性能可靠性,電動汽車的安全性和電池的安全性能關(guān)系太密切了。當(dāng)然了,也不是說電動汽車的安全問題都是鋰電池產(chǎn)生的,發(fā)生的數(shù)十起電動汽車爆炸的問題,很多原因是由于電池的不當(dāng)使用導(dǎo)致的,當(dāng)然也有其它一些原因。
另一個問題是高容量密度的問題,簡單說就是是否可以盡可能多地儲藏電能的問題,這是儲能的問題。電動汽車只有高的能量密度,無論是體積還是重量,都是非常有利于在比較小的體積下、比較輕的重量下讓電動汽車盡可能行駛比較全的距離,所以高能量密度對電動汽車是非常重要的。上午很多專家提到了混合動力汽車的問題,還有插電式混合動力電動汽車的問題。這樣的汽車涉及到的是高功率問題,電池需要在比較小的體積下,比較輕的重量下,盡可能承受大的充放電電流,而且具有良好的壽命。高功率和高容量,很難在目前的狀態(tài)下讓它兩全其美,或者可能涉及一種高容量電池滿足純電動車的需要,滿足儲能的需要,或者一種設(shè)計(jì)一種高功率電池,讓它滿足混合動力車的需要或者電動工具的需要,至少目前要從這幾個角度考慮問題。
關(guān)于電動汽車,我們有些思路也應(yīng)該發(fā)生一些轉(zhuǎn)變,上午也討論這樣的問題,比如續(xù)航里程的問題,充電快慢的問題。經(jīng)常有人提出來,我們的車要超電動汽車,要超過燃油汽車,要充一次電跑五百公里,那沒有問題,但是搭載上這樣的電池,重量是多少呢?成本代價(jià)是多少呢?就是我們面臨和需要解決的問題了。所以續(xù)航里程跟快慢要根據(jù)實(shí)際情況處理好,在中國目前的狀況下,我認(rèn)為電動汽車,電池的性能完全可以從不同的角度滿足需求。電能來源的多樣化也是一樣,下面我會談到這個。
在中國我們是最早介入電動汽車的。我們當(dāng)初介入電動汽車也是迫于無奈,因?yàn)槲覀冏龀隽藵u進(jìn)式錳酸高容量電池之后,沒有電動汽車怎么辦呢?我們得了解電池到底合不合適,要了解各種情況下的電化學(xué)性能,最后逼得沒有辦法,只好參與電動汽車了。在2007年的時候北京奧運(yùn)會之前,北京有數(shù)百輛汽車使用了多元負(fù)荷氧化物高功率電池,就是今天大家所說的三元電池。這樣的技術(shù)在今天的中國,也有成千上萬輛在使用。今天尤其把這方面的技術(shù)性能跟大家介紹以下。
關(guān)于微型汽車我們也有一些討論。山東是微型電動汽車非常發(fā)達(dá)的區(qū)域,上午的信息也表示了,年產(chǎn)量達(dá)到十幾萬輛,問題是政府如何去考慮推動,市場如何去操作。關(guān)于這些細(xì)節(jié)的問題,我就不多說了??傊?,在國內(nèi)外,微型電動汽車的發(fā)展是非常快的,給出的電動汽車用電池的方案也應(yīng)該有所不同。電動汽車的技術(shù),是我們今后要仔細(xì)考慮的,要多考慮慮。到目前為止,我們電動汽車是在傳統(tǒng)汽車上的一個改造。事實(shí)上,這樣一個想法,在一個階段適合中國的國情,但是如果回頭想一想,中國的燃油汽車走了30多年的發(fā)展歷程之后,到今天只有三四流產(chǎn)品的民族品牌,我們?yōu)槭裁醋霾怀龊玫娜加推嚹??需要在座的企業(yè)家認(rèn)真考慮這些問題。今后中國的電動汽車的發(fā)展,一定要極早做起,一定要大量投入,要在最基本的技術(shù)方面多做功課,才能為真正的電動汽車打造出中國新能源產(chǎn)業(yè)、新興制造業(yè)發(fā)展的好機(jī)會并且把握好這個機(jī)會。
關(guān)于電動車安全性問題,時間關(guān)系,我只想說,這個問題是我們以后遇到的最可怕的問題。有些問題在某種情況下是電池導(dǎo)致的,非電池導(dǎo)致的問題也有。但是大家可以想象,當(dāng)電池燃燒起來的,是高密度的電能載體,里面幾乎所有器材是易燃易爆的,電解液在六七十度的空氣下會燃燒,負(fù)極材料、隔膜材料,里面大量的各種各樣的材料里非??膳隆K噪姵乜刂乒芾聿缓?,電池內(nèi)部溫度升高導(dǎo)致的電池裂開,最后導(dǎo)致燃燒爆炸,這種事情已經(jīng)出得太多了。所以電動汽車的安全性問題在國內(nèi)外,目前為止并沒有受到人們過多或者高度關(guān)注。但是作為電池企業(yè),作為電池材料企業(yè),作為我們的電動汽車,因?yàn)榈侥壳盀橹?,沒有先例,人們并不知道一輛電動汽車什么情況下會燃燒、會爆炸。另外,今天的傳統(tǒng)燃油車,在高速公路上,在城市里面,自然這樣的問題也很多。所以,電動汽車的安全性問題,可能是今后幾十年或者永久的討論話題。關(guān)于電動汽車電池的問題,我想到今天為止用不著和鉛酸電池和鎳氫電池比較,這幾天的會議大家都會有共同的想法,鋰電池是電動汽車今后唯一的,至少五到十年內(nèi)還沒有其它產(chǎn)品有更高的電壓、更高的能量密度或者更合適的適應(yīng)性短內(nèi)取代鋰電池。
鋰電池今后的路還有很長,今天的公交車一公里耗電1度多,明年是多少、后年是多少,已經(jīng)有非常明確的目標(biāo)。車輛載重對于電池模塊也是非常重要的因素,如何從簡單的單體電池走向模塊,走向整車電池,今后的工作也是非常多的。
最后我想從電池的問題回到電池材料上,最近我們和國內(nèi)做電池的廠家做了程度不同的溝通,國內(nèi)有些廠家錳酸鋰電池的穩(wěn)定性做得都比較好了。所以今天可以說,電動汽車,它的壽命做到五年、七年,從電池的角度是非常有信心的。十萬公里也好,十五萬公里也好。2008年奧運(yùn)會結(jié)束后,按照當(dāng)時的結(jié)果來看,三年十萬公里,完全把這個問題解決了。今天,照著這樣的電池來考慮,我想五年十五萬公里的目標(biāo)也應(yīng)該比較容易解決。
在今天的技術(shù)情況下,漸進(jìn)式錳酸鋰電池作為高容量電池,它的壽命深度充放兩千次,容量還保持著80%以上意味著什么。按照現(xiàn)在汽車使用的壽命來考慮,保證五年以上或者更長的年頭使用,從電池的角度放心去使用?;旌蟿恿囯姵?,也應(yīng)該是這樣的。2007年以前,以錳為中心的多元材料,做過五萬次、十萬次,模擬三十萬次的充放電,所以混合動力車的電池壽命和安全性,我想大家應(yīng)該放心去考慮。當(dāng)然了,我指的是生產(chǎn)、品質(zhì)檢驗(yàn),我們的使用都是在規(guī)范化情況的前提下。一個電池在生產(chǎn)過程中,不能嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程,如果不能把好質(zhì)量關(guān),簡單說有一些異物進(jìn)了電池,或者其它原因?qū)е码姵爻霈F(xiàn)差異等等,可能都會造成電池出現(xiàn)一些其它問題。
從本質(zhì)上講,電池的安全性,導(dǎo)電性是非常重要的一個方面。導(dǎo)電性涉及到什么呢?涉及到電化學(xué)性能,涉及到使用環(huán)境,涉及到材料問題,涉及到電池的問題。這里面做比較,多元的負(fù)荷正極材料的電池,在大功率充放電情況下,它的發(fā)熱要比和它做比較的這塊電池的溫度變化小多了。從測量大電流的情況下,電池溫度變化的角度來考慮問題,是研究電池安全性非常重要的手段。測量溫度對大家來說都是比較簡單的,所以制造電池的朋友們一定要考慮一下,我們的電池到底安全性如何,跟使用當(dāng)中溫度變化有密切關(guān)系。大量的熱量積累,完全會導(dǎo)致電池裂開。電池裂開就意味著可能會燃燒、可能會爆炸。另外,這個導(dǎo)電性的問題,還涉及到常溫情況下電化學(xué)性能如何的問題。所以我們選擇一個好的材料,制作一個好的電池,在常溫狀態(tài)下,要保證它有良好的導(dǎo)電性,優(yōu)越的充放電性能,在低溫、零度、零下二三十度也必須具有良好的電化學(xué)性能,這樣的電池才能作為車載電池。非常遺憾,和東北的搞電動汽車的朋友們接觸過之后,他們講沒有多少人敢把電池拿到東北去做,哈爾濱也好、長春也好,做各種各樣的車輛測試,這讓他們感到非常為難。
還有一個事情,我在有些場合下講過幾次,在不同狀態(tài)下電池的安全性和可靠性,是由電池的另一個電化學(xué)特性所控制,有著很大關(guān)系。大家可以看到,兩個電壓的標(biāo)尺是完全不一樣的,尤其是作為漸進(jìn)式錳酸鋰電池的對比,所對比的電池它的間隔是非常小的。從SOC的電壓變化上可以看到,在電池電動汽車反復(fù)充放電的區(qū)間,最頻繁使用的30%至70%的區(qū)域,它的電話寫特性表現(xiàn)出來的是電池電壓的變化是非常小的。電動汽車如何控制電池呢?如何讓電池效率高的輸出動力,驅(qū)動電動汽車呢?到目前為止是通過電子計(jì)算機(jī),各種各樣的技術(shù)來完成。但是在這種狀況下,每支電池的不同電壓下,這個差別太小了,導(dǎo)致很容易給我們錯誤的指令,該充電的時候不充電,該放電的時候不放電。有些朋友問我,為什么他們出廠的時候電池一致性非常好,穩(wěn)定性非常好,可是用了一個月,用了半年之后,電池容量迅速衰減?我想跟它的電池特性關(guān)系密切,希望大家多關(guān)注這個問題。
從電池正極材料的角度考慮,我們要做的工作是很多的。大家都知道,從2000年開始,首先以電池的關(guān)鍵材料起家,中國的鈷酸鋰,從北京工廠國產(chǎn)化第一步實(shí)施,錳酸鋰、多元化等等。同期的正極材料,充放電曲線的,但是我們自己的工作。通過今天的會議我也了解到,我們很多企業(yè)和研究單位都進(jìn)入到高電壓材料領(lǐng)域。我認(rèn)為,像漸進(jìn)式摻雜鎳的具有漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)的錳酸鋰,作為下一代電動汽車的重要發(fā)展方向,是值得大家關(guān)注的。目前為止我們做了很多工作,我們也做好了把它作為下一代動力電池的準(zhǔn)備,適當(dāng)?shù)臅r候會進(jìn)入市場。這個電池有很多特點(diǎn),目前為止我們解決不了的一些問題它能夠解決。但是,隔膜的問題、電解液的問題、使用過程當(dāng)中的其它問題等也出現(xiàn)了,需要大家共同關(guān)注,把這個問題處理好。還有一種材料是更高容量,負(fù)荷材料的發(fā)展趨勢。作為今天講的三元材料的替代產(chǎn)品,很可能在若干年以后發(fā)生,這個電池會出現(xiàn)在市場上。它讓今天的高容量電池和高功率電池,都會發(fā)生革命性變化。今天上午長安汽車的報(bào)告當(dāng)中,他們的車上的能量密度已經(jīng)做到了90,利用新材料技術(shù),我想我們很快會突破100,達(dá)到120,有可能還會實(shí)現(xiàn)150。到那個時候,我們的車載電池會很小。除了正極材料之外,負(fù)極材料明天也會有一個很好思路的報(bào)告,希望大家關(guān)注一下。
很多朋友都跟我提到了材料合成的問題。電池的材料要想有一個很好的導(dǎo)電性,要想有一個非常優(yōu)越的充放電的穩(wěn)定性,材料的合成方法是非常重要的。通常人們用固向法,高溫下一次反應(yīng)、兩次反應(yīng),這樣的結(jié)果既耗能,最后電化學(xué)性能也不一定好。溶液法雖然解決了一些問題,但是它的毛病是大量使用溶劑,除去這些溶劑可能出現(xiàn)的問題更多,找到一個新的方法,找到一個既不耗能,又不需要在后續(xù)過程中花費(fèi)很多程序,找到一個合適的辦法,應(yīng)該是我們大家要考慮的一個方向。這方面我們已經(jīng)做了非常有意思的工作,比如在我們的工作里,我們既不會用簡單的固向法,也不會用傳統(tǒng)的溶液法合成電池材料。
電池材料里面的雜質(zhì)問題對電池性能的影響是非常大的,有些雜質(zhì)是我們必須要考慮,在原材料制造過程中就要把它清理掉。為了讓它得到好的電化學(xué)性能,需要有意添加一些。這張圖想告訴大家的是,像漸進(jìn)式錳酸鋰材料,電化學(xué)發(fā)生量化的元素,可以產(chǎn)生各種各樣的錳和鋰的氧化物,這些氧化物大部分不能導(dǎo)電,不能作為鋰電池的儲能材料進(jìn)行使用。如果這個問題不處理好,我們得到的漸進(jìn)式錳酸、多元負(fù)荷金屬氧化物材料放電容量就會低,電化學(xué)充放電的穩(wěn)定性就會差,導(dǎo)電性能也會出現(xiàn)問題。
最后一個問題,電動汽車未來的使用,我想電能肯定是多元化的。我們很多人把目光集中在了充電樁、集中在電網(wǎng)的問題上,實(shí)際上完全可以考慮自然能源的使用。因?yàn)榻裉烊蜻€有數(shù)億人處于無電的狀況下,在四川和云南有250多萬人沒有電,在西北也有很多人沒有電,這些人難道不會用電動汽車了嗎?我想不會是這樣。新能源的使用,小型電動車的使用,會在這些地區(qū)迅速發(fā)展起來。在城市當(dāng)中,在國外很多城市給自己的車供電,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了,這是中國面臨的很大問題。尤其是中小城市的周圍,多建立自然能源的充電站,通過各種各樣的方式方便為我們充電,我覺得是為期不遠(yuǎn)的。
用了這些時間簡單講了這些問題,謝謝大家。