中国科学院物理研究所黄学杰！基于材料创新的下一代动力电池

【报道】9月7日，在第四届全球新能源与智能汽车供应链创新大会上，中科院物理所研究员黄学杰表示，大家都知道关于第二代磷酸铁锂、三元是当前主流动力电池，高质量发展需要升级换代。

我讲一下锂铁电池的升级型，即5V尖晶石型镍锰酸锂电池，以及三元、Wh/L高密度高端动力电池的升级型。

以下为黄学杰在中国科学院物理研究所演讲实录： 感谢中国电动汽车百人会的邀请。

我有机会跟大家分享一下基于材料创新的下一代动力电池的情况。

因为这是一份命题报告，所以我会按照要求与大家分享这个下一代电池的观点。

主要介绍什么是第三代电池。

大家都知道，磷酸铁锂和三元电池是目前第二代主流动力电池。

高质量发展需要升级。

我讲的是锂铁电池的升级版，即5V主轴。

石头型镍锰酸锂电池，以及三元升级版、Wh/L高密度高端动力电池。

为什么他们是下一代？我刚才讲的这一代是磷酸铁锂和三元电池。

上面一代是锰酸锂电池。

当然，现在只能用在两轮车上，因为老款聆风卖得再好，续航里程也只有几公里。

如今的锂铁和三元电池已经基本解决了电动汽车的续航焦虑问题，因此电动汽车的渗透率很快就达到了20%以上。

在电动汽车和动力电池的会议上，我总是向两位老先生古迪纳夫教授和阿尔芒教授致敬。

一种提出可以使用磷酸铁锂作为正极材料，另一种提出用碳包覆磷酸铁锂。

不管出于什么原因，到目前为止99%的磷酸铁锂材料和电池都是中国生产的，这支撑了我们从大型车到小型车同步发展电动汽车的路线。

如今，为我国电动汽车产业乃至储能产业奠定了相当的基础。

优点。

三元材料电池适用于长里程电动汽车。

大家都希望它们能更长，但又不想它们不安全，也不想接受电池非常昂贵的现状。

这个时候我们应该做什么呢？需要升级它。

升级有两种途径。

一个途径是提高电压，这也是降低成本的一个途径。

一种途径是增加容量，这在大多数情况下会增加成本，但我认为高端第三代电池也必须降低成本。

对于电池产品来说，并不是说我们提高了5%、10%，就说明它算新一代了。

我认为一代又一代的改进，如果不是性能翻倍，应该是能量密度提高50%，成本降低几十%。

这可以称为代际变化。

否则就不一样了。

生成中的梯度优化。

其实今天大家常说的能量密度都是指比能量，也就是单位重量的电池中储存的能量。

现在是什么水平？三元电池最高可以达到Wh/kg，最好的磷酸铁锂电池也可以达到Wh/kg。

对于今天的电动乘用车，我们还得真正回到谈论能量密度，即单位体积的能量。

下一代电池的一个重要指标是能量密度提升50%以上。

这种改善不是加一点锰、加一点铁锰锂、加一点镍、加减一点钴就可以实现的。

这是基于材料的变化。

锂铁电池安全性高、成本低、资源占用少。

能否将以锂铁电池为代表的流行电动汽车电池的能量密度提高50%，同时使其更安全、成本更低？基本材料为镍锰酸锂。

第一代锰酸锂电池使用一公斤碳酸锂，可产生近1.7千瓦时的电量。

作为三元电池使用时，电量会少一些。

作为磷酸铁锂使用时，可发电2.1千瓦时，因此磷酸铁锂价格便宜。

不仅铁便宜，而且碳酸锂每千瓦时使用的碳酸锂也更少。

但如果制作镍锰酸锂电池，1公斤碳酸锂可发电2.95千瓦时，大大减少了碳酸锂的用量，对资源利用有价值。

当然，也有从分子式中可以看出的无钴、低镍的产品。

挑战是什么？必须充电到4.9V，不像锂铁充电到3.65V，也不像三元充电到4.2V或4.3V。

电压越高，能量越高。

如果用同样的水提高水头，就可以发电更多的电量。

但三峡大坝的修建难度明显大于葛洲坝。

水泥不同，砂浆相同，石材的要求可能不同，这里需要做的改进还有很多。

如今，基于材料技术的进步，正极材料本身的稳定性问题已经得到解决。

充电至4.9V，即使在55度下，循环性能也比当今典型的三元材料更好。

但就像修三峡大坝一样，只有好石头还不够，水泥、砂浆等也必须好。

粘合剂、导电添加剂，甚至集流体的表面处理都必须满足高压充电的要求，使其能够承受更高的电压。

高压。

一旦做到这一点，我们将能够使用更少的锂来制造单位体积容量增加50%的软包电池，并且这种电池可以多次循环使用。

同时保持较高的安全性能和优异的低温性能。

其低温性能与锰酸锂相当，这也是一个重要的性能。

今天在珠三角松山湖材料实验室建成的材料中试线和电池芯中试线正在推广圆柱、软包和方形壳形电池三种类型。

我们正在与同行一起测试它们。

让我们看看它是否可以成为我们电池汽车的下一代电池。

这是我们运营的两个基地，分别位于实验室的两个园区。

一是材料研发及中试基地，二是电池研发及中试基地。

我想你接下来可能会问，三元电池有升级版吗？刚才讲的镍锰酸锂电池可以做到Wh/L，比现在的三元动力电池高不了多少。

三元动力电池如何将能量密度提升50%？即，提高至Wh/L。

今年以来，科技部在改造技术工程中布局了高体积能量密度电池项目。

根据材质的变化，不再使用Wh/kg作为指标。

正极材料指标不再以Wh/L和mAh/g为单位。

负极材料不再以Ah/L为指标，也不再以Ah/L为衡量标准。

mAh/g为目标，该项目正在进行中。

取得了哪些成果？我先告诉你一部分。

首先，基于层状镍基材料，比容量非常高。

如何提高其密度，使其成为致密材料？请注意，该材料的能量密度已经超过Wh/L（相对于金属锂）。

其次，它必须致密化，因为这种材料无法制成单晶。

众所周知，镍很难制成单晶，而将镍90制成单晶几乎是不可能的。

我们的方法是将纳米一次离子的多晶聚集成致密的二次球材料并使其稳定。

。

当然，目前的三元体系也采用了这种材料技术。

另外，用什么方法可以让负极材料具有更高的密度呢？铜胶囊中可放入硅、锡等合金储锂材料。

这时它的密度就可以提高，在保持高密度的同时还能保持良好的循环性能。

它们之间的导电连接 = 它们可以用锡线串在一起。

锡是一种密度约为硅两倍的材料。

这时我们正在考虑使用一些高密度的材料作为它的电极。

当然，这些阶段性的成果现在也被运用在如今的第二代电池中，并且现在也有人开始将其运用在第二代电池中。

该项目的目标是生产Wh/L动力电池。

去年年中达到了Wh/L，今年年底可能达到～Wh/L，预计今年年底达到Wh/L。

这一切都不是一个单位能够完成的。

过去我们自己努力，现在我们邀请同行单位共同努力。

因此，我们在松山湖建设了能源材料及器件创新工厂，并与众多企业同事合作。

他们都是我们的下一代电池合作伙伴。

这一合作机制对整车企业、电池企业、材料企业开放。

这也是公共材料实验室向社会开放公共资源的重要尝试。

欢迎大家来松山湖指导。

让我们共同努力，看看在突破第三代材料、迈向动力电池产业化的过程中，能否共同做点什么。

我厂有专门的服务体系，我们也尽可能提供相应的支持。