吳鋒：原材料漲價背景下 新型綠色二次電池的研發新進展
圖為北京理工大學教授吳鋒作主題演講
11月16日，“2017’第二屆動力電池應用國際峰會暨第三屆中國電池行業智能制造研討會”在北京啟幕。本屆峰會由中國化學與物理電源行業協會和電池中國網共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯合主辦；中國化學與物理電源行業協會動力電池應用分會承辦，無錫先導智能裝備股份有限公司聯合承辦。參加此次峰會人數超600人。
北京理工大學教授吳鋒在演講中，就動力電池關鍵材料研究的一些新進展同與會嘉賓進行了深入詳盡的探討。
以下為吳鋒教授演講內容：
各位好！我跟大家匯報的是“動力電池關鍵材料研究進展”。
現在中國新能源汽車2011年到2016年從產量和保有量都提升了100倍，發展也是向低碳化、動力電動化、輕量化、制造信息化、整車智能化和交通網聯化方向發展，特別是互聯網行業已經全方位進入新能源汽車，會對我們今后的發展起到一些意想不到的作用。這里還有一個問題，我們講能源低碳化，我們國家現在棄風棄水棄光嚴重，2016年達到130億度，用浪費的130億度可以供8千萬輛電動轎車使用，最近又150億度，就是1億量了。
現在在國家規劃里對動力電池的能量密度提的指標都很高，有300Wh/kg的、有350Wh/kg的，剛才楊裕生院士也講了，對能量密度我們還可以再斟酌。我也參加了一些企業牽頭的項目，是這么一個指標，一個是300Wh/kg，續航壽命還有成本。我們如何來實現這些指標？而且如何兼顧安全可靠性、循環性能、倍率性能、溫度適應性能，主要是能量密度，還要兼顧其他性能。
我今天主要是講能量密度，要求現在長續駛里程的電動汽車需要高比能，追求高比能同時又容易引發安全性事故，所以要提高安全性。就鋰離子電池而言，提高電池能量密度材料要先行一步，所以我們在研究新型異質結構的高比能量、高倍率富鋰錳基無鈷氧化物正極材料，通過這種材料在納米尖晶石包覆后獲得的性能改善，這種材料不含鈷，降低成本有很大空間。通過離子交換法構建表面的尖晶石通道，另外也通過這種材料的改性，通過它的協同作用來改善它的低溫性能。
在負極用有機硅生產出來的工業肥料為原料，來生產高性能的有機硅，達到700多的容量。結合柔性化技術和長壽命，通過導電的聚合物包覆和柔性組裝來達到這個目標。我們通過用改性的811和高電壓的電解質和具有新型導電網絡的硅碳負極材料，我們制作出鋰離子電池，并通過第三方檢測。
新體系的性能指標，二次電池，這個紅的是現有的需求量，綠的是預估的，到2045年的需求量，它必然是一個爆發式的增長。剛才兩位院士都講了，原材料的漲價，碳酸鋰去年一年漲了4倍，鈷酸鋰今年一個月漲了1倍，如何來應對？因為鋰離子電池的原材料漲價，我們又要它便宜，怎么辦？我們973項目從2002年開始就開發新的，提出用輕元素、多電子、多離子反應實現電池能量密度跨越式的提升，打破單電子反應n=1的思維定式。這里邊一個多電子反應。一個鋰硫電池，它的能量密度是2600，高過TNT炸藥1700，但是全國的石油化工每年的硫黃副產物有1千萬噸，如果能夠把它作為原材料，有很大的降低成本的空間，都很難做，也在做。
鋰硫電池有一些難點，比如導電性差、活性物質的流失，高比容的電解材料和電解質的適配難度大。我們通過三維導電網絡的設計、納米孔和包覆等等表面修飾進行改進。研究了相關鋰硫電池的關鍵材料，比如說通過將氮和硫摻雜的珊湖狀的介孔炭用于改性，也是提高了倍率性能。引入特殊保護作用自組織的結構，也能夠提高它的穩定性。基于氧化鋅納米片的導電插層，也可以提高它的循環性能。這就是我們2016年以來做的一些工作，還有基于聚多巴胺的高粘性，將導電碳和納米硫在納米尺度進行粘合，從電解液也可以看出這種結構來。
將分散的導電碳組裝為橢球形的微米的超結構，這種材料能夠提高它的單位面積的載硫量，通過載硫量的提高，我們也做到了能量密度達到460瓦時/公斤的鋰硫電池，當然是0.1C的放電，不是小電流，通常大家采用的放電制度。
多電子反應就是鋁二次電池，資源很豐富，難題是鋁的表面鈍化和鋁離子嵌入反應困難，我們通過界面重構設計具有大隧道正極材料，實現電子嵌入反應，構筑這個體系。這里關鍵的是我們采用了一種無黏合劑的正極，使得能夠避免電解液的腐蝕，在國際上也報道了它的機理。
剛才講的高比能下面有一個安全性，我們覺得首先是安全性材料，包括溫度敏感電極、陶瓷高強隔膜、電解質，這三者的協同配合可以顯著提高電池的安全性。現在我們也來發明了一些高電壓的不燃電解液，可以1300度不燃。
還有系統，我在973第三期提了一個系統的安全閾值邊界的概念，哈爾濱理工大學的李教授，他按照我這個概念通過建立安全狀態的數學模型，將安全閾值邊界演化出來一個量化的安全度，并顯示在汽車儀表盤上，對于車推廣會有好處。
剛才鄭綿平院士講了回收，這個回收意義他也講的很清楚了，回收牽扯到環境也牽扯到電池的成本，因為鈷，現在我們國家進口鈷已經有69%電池用鈷，占了很大的比例。我們原來用天然有機酸來浸取正極，鋰和鈷都比較高。最近天然的琥珀酸，浸取率由原來的94%提高到99%，我們浸取出來的電池材料也達到了要求，這是一種內循環，從廢棄的正極極片到制備出合格的正極用于原材料。負極我們也做了一些工作，負極是一個外循環，因為這個碳，大家如果再用到電池上可能覺得不劃算，但是我們國家比如像電池，原來因為從日本引進的三聚磷酸納被磷污染，用這個把這個碳制備成碳吸附劑，用在這個上面，國家每年需要560萬噸左右，用于高磷的污水處理。再把它作為磷肥一個緩釋肥放到田間，把這個做一個外循環，這個也是挺有意思的事。
我們這個團隊由我們理工大學物理所、武漢大學、清華大學多家單位組成，我們這個團隊已經在一起從2002年到現在已經15年之多了，大家一直團結的非常好。
我最后講兩句，我們新型綠色二次電池的發展，起源于二次電池固體電解質材料和鎳氫電池儲氫材料的研究，依賴于關鍵材料技術的創新和進步。創新不是炒作，不能急功近利，否則就會曇花一現，產業取決于市場，不能揠苗助長，否則就會是過眼云煙。
（根據發言整理，未經本人審閱）
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