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吳鋒:鋰離子動力電池開始進入黃金期

2016年01月25日 9:9 3433次瀏覽 來源:   分類:

   2016年1月23日,由中國電動汽車百人會主辦,清華大學、中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國汽車技術研究中心、中國汽車工程學會協(xié)辦的第二屆中國電動汽車百人會論壇(2016)在北京釣魚臺國賓館正式召開。
  論壇圍繞“構建競爭·創(chuàng)新·可持續(xù)的產業(yè)生態(tài)”的主題,邀請了來自政府機構、行業(yè)學者以及科技、互聯網、汽車、交通、運輸、零部件等各行業(yè)重量級人物參加,鳳凰汽車等十余家媒體進行現場轉播,50余家媒體在現場進行集中報道。
  以下為北京理工大學教授吳鋒發(fā)言:
  各位來賓,下午好!參加中國電動汽車百人會的活動,聽了很多報告,學了不少東西。我理解中國電動汽車百人會好像是一個百家爭鳴的場所,允許發(fā)出100個聲音,所以大家可以討論嘛。因為我們是一個咨詢機構,我們給陳司長、張司長提點參謀意見,所以我們有什么都可以說,我想圍繞這個主題講點東西,所以就沒改題目。
  我們是在中國的鎳氫電池和鋰離子電池在863計劃1987年開始的,當時有一個新興儲能材料,當中有一個儲氫材料、鋰電池材料,當時我是責任專家,組織這個項目,可以說材料也是電池的基礎和先導?,F在大家都知道,動力電池很多人都已經講了,是國際競相研發(fā)的熱點,在國家相關的規(guī)劃綱要當中都特別明確的提出了重點支持動力電池關鍵材料、電芯系統(tǒng)等研發(fā),并提升電池能量密度等關鍵指標。特別是上次我看到創(chuàng)新工程里面,除了支持整車,就是支持動力電池,這個對于搞電池的人來說覺得也是很振奮的,而且董會長的中國汽車工程協(xié)會成立了動力電池的研發(fā)機構,讓汽車廠家目前來做。這對汽車行業(yè)說明電池還是很重視,但是我希望給我們點兒寬松條件。
  我們動力電池發(fā)展當中現在面臨著幾個問題:
  第一,能否構建出新一代的高比能電池。
  剛才國家相關的綱要里邊都特別提出了能量密度這個指標的概念。
  第二,能否解決電池的安全可靠性問題,能否實現電池的長壽命,能否提高電池的性價比。我想這可能是動力電池發(fā)展當中的一個面臨的問題。
  剛才也講了,三元材料體系可以說是新一代高比能鋰電的一個體系。三元和石墨、三元和硅碳,再下一代就是負鋰。根據我們的匡算,如果鋰離子電池能量密度達到300Wh/kg,如果用硅碳負極,正極的比能量一定要大于250mAh/g,因為在電池設計里面正極決定容量、負極決定壽命。一般是這么一個概念。我們主要在負鋰構造優(yōu)化、納米尖晶石包覆、仿生膜的設計和研究。這方面我們研究出一種負鋰氧化物材料,具有高容量,就是276mAh/g,而且具有比較良好的高倍率性能。這個在國際現在發(fā)表的文獻當中是沒有的,在負鋰的高倍率、高容量方面這個數據還是領先的。
  在負極方面,我們是做了一個無黏合劑的復合負極材料。大家知道,黏合劑本身是惰性的,想提高能量,我們用了一個直接的涂抹法來合成無需黏合劑的負極材料。
  我們還做了聚苯胺包覆的納米硅材料,能夠達到175mAh/g。最近有一個報道,美國的勞倫斯伯克利實驗室,在負極里面加了氫,說這個容量可以提高5倍,如果我在這里面能夠放入氫的話,這個材料也還有點意思,這里邊我們把鋰離子電池有沒有可能和鎳氫電池做一個融合。
  鋰離子電池的危險性其中一個來源在于電解液。比如說鎳氫電池、鎳鉻電池是堿性的電解液,六氟磷酸鋰也是電解液。我們現在也做了叫做泥漿型的電解液。它的性能對于安全性和循環(huán)問題性都是很有好處的。我們在三元和硅碳負極材料我們做了電池319,但是它的循環(huán)性能現在還不行,安全性也沒有考核,所以說鋰離子電池單純的如果要做高比能量,應該是可以做到,但要是做到產業(yè)化指標就很難,因為要有各種條件的約束。
  從2002年開始,我主持一個國家科技部973的項目,一個二次電池新體系的研究。到2020年,我們提出了多電子的反應機制,就是鋰離子電池和鎳氫電池都是單電體的反應機制,能不能是大于1的,它是1,我們能不能大于1?就是反應電子數。第二個,在第二期973(2009年)的時候,我們又提出能不能采用氫元素材料。從去年2015年開始,第三期973,我們又提出一個多離子,能不能構筑氫元素、多電子、多離子反應的體系來提高電池的能量密度。這里邊主要就是,如何通過多離子效應和相關轉化機制,創(chuàng)建新的反應和環(huán)境,使惰性的物質成為活性的高容量電極材料。
  剛才李泓也講了,鋰硫電池是二電子的體系,它的能量密度是高達2600Wh/kg,TNT是1700Wh/kg。電池做不好就是炸藥,在鋰硫電池里面,一個是如何提高單質硫的導電性,如何抑制鋰枝的產生,這方面我們設計出石墨烯的導電,通過納米孔隙多元復合等技術有效抑制了飛梭效應,我們也是在正極材料方面進行了一些研究,將氮和硫珊瑚狀的碳用于復合材料,提高性能。另外還有聚多巴胺用于電極隔膜的包覆性,抑制效率。單體5Ah的鋰硫電池能量密度是406Wh/kg。
  我們和北京石油化工研究院也在合作。當時我們和陳院士他們一起做這個事情。他們當時提出,說每年石油化工的附產物硫磺每年1千萬噸,如果把硫磺作為鋰硫電池的原材料,可以降低鋰硫電池的成本。我現在有兩個博士生在做這方面的工作,這個可能也是一條途徑。
  我們還研究了一個三電子的鋁離子電池。鋁是地球上含量很豐富的元素,理論比容量是2980Wh/kg。我們也是采用原位生長技術制備的無黏合劑三維結構正極,可有效規(guī)避由于黏合劑被腐蝕產生的難題。因為我們希望電池低成本,鋁也是低成本的,再一個是安全性,剛才好多人也講了,我就簡單說兩句。我們在第三期973里面提出了安全邊界的識別控制,安全問題不僅源于單體電池內部的失控反應,也取決于電池系統(tǒng)的匹配,電池安全閾值邊界的識別,控制與互聯網+智能電池,可確保安全性。從電極材料、隔膜、電解液---這個也是不燃的電解液,陶瓷隔膜。
  我們還作了一個新型的固態(tài)化的電解質材料,我們這個材料使用電導率達到了10-3,這是一個很關鍵的數,如果達到10-4,在應用方面就有問題,我們希望能達到10的-3。
  綜合電池的能量密度和安全性來講,從高比能的二次電池新體系發(fā)展路線,從多電子反應到輕元素、多電子反應材料,到新體系的固態(tài)化電池,到全固態(tài)電池
  我還講一點廢舊鋰離子電池的綠色回收開發(fā)。這方面大家也越來越重視。日本廢舊金屬的回收方面,通過電子線路回收,每年金的產量已經超過了世界最富產的南非,銀的產量超過了世界最富產的波蘭。我們鋰資源現在越來越匱乏,鋰資源如何更好的利用,我們是采用了環(huán)境消耗天然有機酸的回收技術,和國外目前采用的強酸、硫酸、硝酸相比,我們的處理過程是綠色的,我們在進取率和進取時間方面都優(yōu)于強酸的水平,國外對我們也給予了比較高的評價。
  結束語。隨著新能源汽車的深入普及與發(fā)展,動力鋰離子電池的爆發(fā)性需求已延伸到上游鋰礦資源,正極、負極、隔膜與電解液等相關產業(yè),鋰離子動力電池市場正開始進入黃金期,動力電池產業(yè)已從低谷中走出,但會不會步入另一個低谷。很多人提出這方面的憂慮,比如我們原材料漲價,我跟原材料廠家也說了,你如果再漲的話會不會變成石油了,以后價格又下來了。
  在2000年電動汽車項目啟動會上,徐冠華部長當時曾指出,“電動汽車的關鍵是電池,電池的關鍵是成本和安全。”昨天陳院士也特別講這個,我們今天回想起來仍然有深刻的預見性,剛才也有企業(yè)講到安全性的問題,當年索尼公司炸了一個筆記本電腦,全公司賠的一塌糊涂,可以說相當于一蹶不振,所以安全性是非常重要的。
  鎳氫電池、鋰離子電池、高比能新體系電池和超級電容器之間的技術融合十分重要,這種技術融合的本身也是創(chuàng)新和突破,將和互聯網+智能電池一起,為我國動力電池的發(fā)展掀開新的篇章。

責任編輯:李峒峒

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