【金砖锂电论坛】唐有根:高能量密度锂离子动力电池的研究

发布日期:2020-11-18

核心提示:由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的2020中国国际锂电技术发展高峰论坛于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛

由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。

中南大学化学电源与材料研究所--唐有根教授的阳如坤总在本次中国国际锂电技术发展高峰论坛做了《高能量密度锂离子动力电池的研究》的主题演讲,现场演讲实录如下:

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唐有根:感谢组委会提供这样一个机会,给大家分享一下高能量密度锂离子动力电池的研究。我来自学校,谈主观的东西多一些,说的不一定对,请大家多多指导。分这么几个内容来给大家做汇报:锂离子电池的发展、高能量密度离子电池、高镍三元正极材料的研究、硅碳负极材料的研究、高能量密度锂电池电池的开发。

去年锂离子电池得到社会认可,获得了诺贝尔化学奖。1974年斯坦利•威廷汉提出了Li/TiS2电池,二硫化碳是一个层状物质,可以实现锂离子的嵌入和脱嵌。电池反应通常是电化学氧化还原,在这里还是氧化还原,但是通过锂离子的迁移来实现氧化还原,所以,从这个层面是全新的概念。尽管当时提的基本上没有太多实用价值,但是开启了锂离子电池的概念。到1980年古迪纳夫提出LiCoO2做正极,这个材料是容量高,循环寿命有比较大的提升。1985年吉野章提出用碳材料代替锂负极,具有实用性。1991年日本索尼公司推出了首个商用锂离子电池。也就是说,锂电池从1990年到现在也就是30年的时间,但是对社会起了巨大的作用。

锂离子电池的应用大家都很清楚:消费、动力和储能,这三大领域。哪一块的市场都非常的巨大,所以锂电池在相当长的一段时间里,还是市场非常巨大的,什么时候投资、什么时候建都不晚,这个市场非常非常的大。

发展来看,1990年实现锂离子电池的产品,动力电池规模发展是2013年,2013年开始,在车厂开始应用。国家推行“十城千辆”政策,动力电池逐步推广应用,应用市场和范围是很广泛的。从现在的发展来看,产量、市场在扩大,但是从企业数量来看,大的企业占比集中度在提高。在动力电池来看,现在基本上是铁锂和三元占主要市场,这是在动力上。从高能量密度来说,三元是受到比较大的关注。铁锂自身能量密度、结构体系有较大改善,在动力市场上也有一些提升。这两块未来谁为主?目前来看都是会有比较大的市场份额。

高能量密度电池发展,国家在相当长的时间都提出了,也就是车的行驶里程需求。从政策上来看,相当长时间都在推动高能量电池的发展,很多方案和国家的政策都在支持发展。2020年是到300Wh/Kg体系,再往高的发展,可能是现有体系的高镍材料、负极的硅碳、固态或者是全固态,从这些方面提升。近期在做产业和应用来看,基本上还是高镍三元正极配硅碳负极,是300Wh/Kg主要的路线,科技部这几个重大的专项都是按照这一路钱在运行。

高能量密度电池,就是你的电池发展,材料决定了性能。从能量密度角度来看,硅碳负极和三元正极来配合发展,更高的能量密度从未来的金属负极,就是锂金属负极,还是以高镍和锂负极,这个材料来提升最终的性能。从正极来看,NCM和NCA更好,但是锂负极材料有更大的潜力,锂负极材料目前制备的难度还是比较高的。能量密度如何提升?通过这样一些方法来实现正极的能量提升。

对应到负极材料来看,希望负极材料电位低一点,容量高一点,现实是有实用价值的还在碳和硅组合的方面,有很多的符合材料。负极容量提升要保证预锂化、碳包覆。不同材料的发展,在现在来看是有中间的三元材料、磷酸铁锂、石墨,目前石墨和碳来发展,高镍材料和硅碳材料,配合着隔膜和安全性电解液,有相应的一些发展来提升和满足高能量、高安全的需要。

来看一下富镍/高镍的材料体系,0.8以上的体系来看,实际上的比容量是在180以上。高镍材料的优势是非常显著,在很多场合能替代其他的材料体系。从现在的应用情况来看,NCM811和NCA基本上能达到300Wh/Kg的要求。相对其他的NCM523、NCM622的能量密度还是有较大的提升。

富镍/高镍循环性能不佳、高温性能差、安全问题严峻和界面不稳定,这些都是需要改进的地方。掺杂也是有多种方面,改善是包覆硫酸盐、有机氨等多种材料,还有单一和许多的包覆体系。除了包覆掺杂,还有梯度材料,降低材料表面的镍,内部还是高镍的,配电解液来解决。

除了刚刚说的掺杂、包覆和梯度材料,这是我们做的一个工作,氧化锆和氧化铝的掺杂和包覆同时进行,这也能有效地改善性能。

这个是掺杂包覆进来之后从结构上和性能上看,金属明显得到了抑制,从性能上都有比较好的表现。

我们也做了痕量ZrB2掺杂之后阳离子确实有降低,这是比较好的效果。

这是痕量掺杂性能指标的体现,从结构上改变、从性能上提升了。

这是我们引用偏磷酸铝做包覆的材料,将材料表面参与锂转化为有益的包覆物。包覆之后的性能是很明显得到提升的。

另外,在三元材料上做一些修复工作,修复之后性能得到了很大的改善。

负极能量密度,这是用的负极材料,金属硅能量密度高,但是也有缺点。硅负极非常关注,优势也明显,缺点也比较突出。首先是纳米化,从纳米化和分包来提升。它的问题是可以通过复合材料,最有效是硅碳材料。硅碳复合材料有这么一些方法,叫分散、包覆和嵌入,包覆的也有几种。

硅碳纳米复合材料研究也有一些工作,通过碳包覆硅纳米颗粒来改善性能,也可以具有内空隙的材料,通过这种包覆能得到稳定的电解质膜,结构性和稳定性提升了。

这是硅-石墨烯改善导电的性能,非常好的和明显的变化。这是碳材料。

这是氧化硅和碳纳米复合材料,它的稳定性和倍率性都能提高,改善它的作用。

硅碳负极研究,首先是硅纳米颗粒度,再就是硅碳材料的复合/工艺等。

高能量密度锂离子电池的开发列入湖南省重大专项,妙盛做电芯,还有杉杉正极,星城石墨负极,中锂参与隔膜,设计课题是四个,电池工艺、电池材料、隔膜、电池安全性等。材料的选择、电芯,特别是妙盛的电池,这就是一个均衡的管理系统的工作。

电芯涉及到多个方面,有些在实现,从电化学、化学安全、结构和应用,从多方面来考虑安全的问题。

正极是高镍材料,加固稳定性、表面的参数、结晶的混合等等。
负极主要是硅纳米化、纳米硅。
隔膜是提高隔膜强度,高分子材料改善稳定性,还有加工功率的方法来提升。
安全性的研究就是多方面的考虑,主要是从材料的稳定性、电芯的多方面配合,来实现安全的考虑。

整个课题是这么一些创新的条件,电池快充、均衡散热,这个是电芯系统来考虑。从控制中,预判的识别;正极材料、负极材料相应的继续改善,隔膜提升安全性和稳定性,在这里有一些稳定性的实现。能量密度提升、稳定性和寿命的改善,这个课题在今年底准备验收。
这是我们团队的情况和得到的相关支持,我给大家就汇报到这里,谢谢。



 
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