中國儲能網訊：8月24日—26日，由深圳市發(fā)展和改革委員會指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會與南方科技大學碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會與新型儲能技術青年科學家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質生產力，推動儲能產業(yè)高質量發(fā)展”。
在新型儲能技術青年科學家論壇上，中國科學院物理研究所研究員黃學杰做了題為《新材料支持鋰離子電池升級》的演講。
中國科學院物理研究所研究員黃學杰
以下內容根據大會發(fā)言整理，僅供參考。
目前被廣泛關注的鋰離子電池的二代電池有兩個品種，一個是磷酸鐵鋰正極材料電池，另一個是三元正極材料電池。其中磷酸鐵鋰電池占鋰電超70%。現在面臨的挑戰(zhàn)是，鋰電池能量密度還有提升的空間，但是空間不大了，循環(huán)壽命還有加倍甚至是三倍的提升空間，這對儲能、電動車是有價值的。
鋰電池再高端化需要向三代發(fā)展，在當下的三元材料技術基礎之上，提高比能量意味著事故的增加，因此對安全有很大的挑戰(zhàn)。三元鋰電池要進一步發(fā)展必然會走向更高端，走向固態(tài)化，目前全固態(tài)還有困難，近期來看半固態(tài)是個趨勢，只有能量密度進一步提高才能夠滿足高端電動汽車、飛行器、人形機器人等各個方面應用的需求。
我國風電和光伏的裝機功率已經超過了火電，也就意味著大量的電力處在間歇的狀態(tài)，因此我們需要儲能電池。根據數據，到2023年年底，新型儲能中鋰離子電池占超90%，這其中幾乎都是磷酸鐵鋰電池，這源于磷酸鐵鋰電池既安全又有較長的壽命，對資源的需求也不像三元材料那么高。
99%的磷酸鐵鋰都在中國生產，大規(guī)模生產從2012年開始，成本下降非常快，從2塊錢/Wh，已經降到現在不到4毛/Wh。但是很遺憾，價格持續(xù)下探，競爭力激烈，內卷帶來的問題是會導致質量下降，一些企業(yè)可能會在看不見的地方降低質量要求。
儲能領域，如何壽命不夠長甚至縮短，會導致電力公司虧本。為此，我們在能量密度提升空間有限的情況下，要把壽命大幅增加。
我?guī)淼囊粋€成果是正極加鋰技術，大家知道鋰離子電池是靠鋰離子在正負極之間來回跑動儲存電能，每一次循環(huán)后都有少量的鋰離子跑不動了，就會導致容量的下降。
樸素的想法就是往里面多加一些鋰，活性的鋰多一些，能量保持率就高一些，在負極叫補鋰，在正極叫加鋰，負極補就是把金屬鋰加進去，正極補就是把高含鋰的化合物加進去，兩種方式各有優(yōu)缺點，負極補的做法理論上容易，工業(yè)上實現不易，因為金屬鋰非常危險，正極補在工業(yè)生產時好實現，但是對材料的要求非常高。
我們還是考慮走工業(yè)上易行的路線，全球研究這種技術路線的很多，只要鋰含量比正極材料高得多就可以加進去，目前有包括氧化鋰，過氧化鋰，草酸鋰在內的各種化合物，效果也不同。真正讓我們有收獲的是硫化鋰，今天所有固態(tài)電池企業(yè)的都希望有很好的硫化鋰。
硫化鋰，我們最早是用于正極加鋰，因為硫化鋰充電時會分解，不管什么正極，只要涂上去都能夠貢獻容量，加進去之后配硅碳負極電池有效。硅碳的首次效率比較低，電池循環(huán)容量容易下降，一旦把硫化鋰加進去，可以看到循環(huán)容量不下降，而且性能非常好，不僅僅硅可以加很多，這個電池還能夠快速充電，內阻變得很低。
我們把硫化鋰產業(yè)化，做成小批量的產品送到企業(yè)，但是硫化鋰遇到空氣水，水分就產生硫化氫，工人受不了，造成產品在實驗室里用很好，但在工廠里用不好。因此硫化鋰不能用到工廠，于是我們最終采取的方案是，把硫和鋰分開，把鋰藏到二氧化硅里，硫放到邊上，硫本身很穩(wěn)定，鋰加到二氧化硅里變成了硅酸鋰也很安全。在硅酸鋰上包上碳和硫，我們發(fā)現硅酸鋰加上硫以后，可以釋放出很多的活性鋰，特別對增加電池的壽命有好處。同時原來硫化鋰對電池的阻抗的影響，對電池性能的改進效果也保持下來，于是我們就做出了這個原創(chuàng)材料。
至今在松山湖生產極片，給電池企業(yè)提供極片，測試下來效果良好。此前電動汽車的電池在一般情況下3000次循環(huán)后大約還有80%多一點的容量保持率，現在能到95%以上，壽命提高了兩倍。
我們分析其主要原因，是有很穩(wěn)固的CEI和SEI。正極里含有硫，讓負極界面上的SEI層很堅固，厚度薄且均勻，使負極充電的性能非常好。
有些企業(yè)開始往正極里稍微加一點硫或者往電解液里加一點硫，效果也不錯，循環(huán)性能沒有提高到200%，但也提高了不少，近期也有相關的論文陸續(xù)發(fā)表出來。
能為行業(yè)做一點事情還是很值得高興的，電池用了它以后，壽命能夠提升2倍以上，這對儲能行業(yè)非常重要，因為它能夠讓電力儲能的成本大幅下降，對于電動汽車也很重要，汽車電池壽命將不再是10年，而是20年。
汽車電動化率在快速的增長，需要更高端的電池，特別是飛行器不能使用磷酸鐵鋰電池，所以我們需要350Wh/Kg以上，甚至400Wh/Kg的電池，需要小體積、靈活，所以對重量能量密度和體積能量密度都要求非常高，而且還要安全。
需要做到超高的比能量，電池直接加容量意味著更不安全，必須固態(tài)化。電池要做到超高的能量，首先要用到超高鎳的正極材料，三元材料是高端電池里必須用的，鎳越高，能量密度越高，成本越低，但鎳超高時材料在循環(huán)過程中會開裂，會釋放氧氣，容易導致車輛起火，這個問題怎么解決？
我們要考慮它將來的應用領域，不僅僅限于現在的電池，還包括未來的固態(tài)電池，含半固態(tài)電池。所以我們采取的思路不是提高材料燒結溫度，燒成單晶，我們是把多晶的一次顆粒尺寸做的更小，反其道而行之，變成更小的納米晶，大家知道生產鋼材時一次晶粒如果做得更小，百煉鋼就會化成繞指柔，就能夠變得非常堅韌，所以我們做超高鎳三元材料也是反其道而行之。
我們先是推出了第一代材料，比容量220mAh/g，可以循環(huán)更好，這種材料和今天的商業(yè)材料比，氧氣釋放溫度提升了20-40度，而這可能就決定了車子在異常情況下電池是否起火。
做固態(tài)電池的人特別關心能否在熱壓機里把電池壓實，因為不壓實固態(tài)電池不工作，而商業(yè)材料是由大顆粒組成的，中間有縫隙，壓實每一個顆粒時就會破，我們做的納米晶的聚集體，每個一次顆粒都很小，二次顆粒很堅固，耐壓能力大幅度提升，普通的材料只敢壓到3.4g/cm3，商業(yè)材料極片壓到3.6 g/cm3時有不少的地方二次顆粒都出現了破裂的情況，但是用我們這個材料壓到3.6 g/cm3沒有問題。
固體電解質加進去以后壓到3.8 g/cm3可以形成致密的正極，致密的正極可以滿足今天的半固態(tài)，未來的全固態(tài)的電池需求。
在這個基礎之上我們現在已經正式推出了第二代材料，比容量已經達到245mAh/g，1C充放電在220mAh/g有穩(wěn)定的循環(huán)，說明目前我們向三元材料的極限容量又逼近一步。
作為材料實驗室，我們有一個重要的使命，是以材料來支撐制造業(yè)的發(fā)展，要成為國家級南方材料研究基地。我們要進行全鏈條的研究，從前沿技術一直做到產業(yè)轉化，擁有多個研究組，有實驗工廠，鼓勵科研人員積極創(chuàng)業(yè)，也有了一批創(chuàng)業(yè)公司。
我們以創(chuàng)新工場的形式把實驗室的條件，把產業(yè)化的公司能力，把研究團隊的能力向全社會開放，是一個公共的平臺，這不同于傳統(tǒng)的研究機構，不僅僅自己做研發(fā)，其中的研發(fā)條件也對社會開放，已有不少企業(yè)從幾年前開始就在這條線上試做自己的材料，做自己的電池，我們研發(fā)的材料也是對企業(yè)開放提供的。
從材料，到液態(tài)、半固態(tài)電池都在出在這條線上，而且這條線上做出的電極，包括半固態(tài)的電極，已經在行業(yè)內推廣。目前全固態(tài)電池的研發(fā)平臺正在松山湖建設中，預計今年晚些時候完成，其中包括金屬鋰電池在內的平臺會對社會開放。
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