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WNEVC 2020 | 加拿大国家工程院张久俊:全球电动汽车锂离子电池:现状、挑战、前景

时间:2020-09-29 20:32:22|来源:|编辑:网络|点击:

2020年9月27-30日,第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开,本次大会以“共克时艰、跨界协同、合作共赢”为主题,为进一步加强国际交流与合作,加速突破新能源汽车市场化障碍,加快推进“电动化、智能化、共享化”融合发展,由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监督管理总局共同举办。其中,在9月29日举办的“先进动力电池技术创新”主题峰会上,加拿大国家工程院院士、加拿大皇家科学院院士、上海大学教授张久俊发表精彩演讲。

其主要观点如下:

1.在发展新能源汽车的状态下,目前主要是发展液态电池和锂电池,燃料电池也是一个方面,锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池要继续的发展,目前从液态逐步的过渡到固态,这样才能达到能量密度的目标500Wh/kg;

2.能量密度、功率密度和寿命的进一步增加,仍然是研究的热点。

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的各位同事,大家好!我是张久俊,我来自上海大学,非常感谢大会给我这样一个机会和大家共同分享关于全球锂电池技术,以及在电动汽车上的应用,我主要讲目前的状态、存在的挑战以及前景。

我的报告分为四个方面。

目前,全球燃油车大约有1亿三千万辆,这么多燃油汽车给我们的大气排放了很多有害的气体,这些有害的气体威胁到人类可持续发展。我们要发展新能源汽车,目前,新能源汽车发展的一个走向非常明显,首先,世界各个发达国家都把发展新能源汽车上升为国家战略,比如说,德国、英国、法国、印度等国家都把时间安排到2040年禁售燃油车,中国也在考虑做这个事。另外,我们也要达到一个目标,这个目标是到2040年全球温度比较在2度之内,因此,要达到这样的目标就要发展新能源汽车6亿辆左右。新能源汽车发展是一个趋势,其中新能源的动力就是我们的电池。

关于电化学电池我简单地跟大家分享一下,电化学电池包括很多,比如说液流电池、锂硫电池等,这都是电力化学的技术。电化学电池有哪些标准?最高能量、功率密度的汽车是燃油车,与燃油车相比,电池地能量密度、功率密度还相差很远。五个大标准衡量电池,首先是能量密度,当然是越高越好,能量越好续航能力越长;二是功率密度,功率密度是电池多长时间内完成充放;三是循环寿命;四是价格,价格越低越好,再好的电池如果太贵了没有人买;五是安全性,电池一定要安全,如果不安全肯定不能用于产业化。

这个表是根据能量密度、功率密度列出的电池,包括锂硫电池等,他们的循环寿命、价格等在这里面可根据不同的应用、要求选择电池。虽然液体电池还没有产业化,比如说锂硫电池、锂空气电池还没有产业化,但都是发展方向。

重点讲一下锂离子的发展,今天全球锂离子的发展尤其是技术上的状态。锂离子的应用范围很广,比如说汽车领域的应用,在电网领域的应用,在家用电器应用,比如说手机的应用,在航天工业、军事领域都有应用。首先是汽车里面的锂离子,锂离子有很大的优势是能量密度和工业度很高,但是也有缺陷,循环寿命还不是这么高。另外是安全性也值得关注,安全性是最重要的,安全第一。在这方面,我们以往做了很多工作,尤其在锂硫电池的电极材料上做了很多工作,发展了一些纳米材料。第二个锂电池类型是锂硫电池,锂硫电池的能量密度很高,锂硫容量可以达到500一600Wh/kg,目前可达到300Wh/kg,也有很大的优势,就是能量密度高,又便宜,劣势是目前的发展还没有达到好的循环寿命,安全性也值得关注。

第三类是锂空气电池,锂空气电池的最大优势是锂能量密度更高,几乎是锂离子电池的10倍还多,但是,目前还在发展的过程中,就是因为它的循环寿命不够,但这是一个很重要的发展方向。锂空气电池方面我们也做了一些工作,发展电极材料、纳米材料,做锂空气氢空气的电池。目前,世界上对锂电池主要的现状是什么呢?我这个表里列出了世界上最好的性能,不同的公司,包括世界上有名的公司以及中国有名的公司,他们使用的电池型号、能量密度可以看到,现在最好的能量密度可以达到300瓦时/公斤。其他公司也都发展,当然取决于电池用的不同的材料。

锂离子电池在汽车领域的应用,目前我们强调的是续航里程,续航里程达到400公里,但是到2030年就要达到700公里,这样就需要电池的能量密度大约是350Wh/kg,体积能量密度要达到1000Wh/kg。

这个表里列出了2020年1一6月份世界有名的电池公司发货的数量,以及电池的能量密度,可以看到,特斯拉model的能量密度达到260Wh/kg,整个电池的系统能量密度也可以达到167Wh/kg,其他的公司也比较接近这个数,整个电池体系能量密度大约在150Wh/kg的状态。

在哪些方面需要提高锂离子?有10个方面,我在这里给大家看一下雷达图,雷达图外面的绿线是要达到的目标,红线是目前的状态,相差还有很大的差距。能量密度是最重要的一个参数,它就是一个标杆锂电池进展到深入程度。这是中科院李红教授的一个图,我拿来跟大家分享一下,这个图表明了我们随着年份的增加,能量密度提高的分量,2020年最好可以达到400Wh/kg的状态,2030年要求能量密度达到500Wh/kg。这样的发展方向是很高的指标,需要在这方面花大力气。

我们在提高能量密度的同时还要注意循环寿命,这个图里表明了电池能量密度越高寿命越短,能量密度越低寿命越长,这是我们发展提高能量密度的同时,一定要注意循环寿命也是非常大的参数。尤其是锂离子电池目前面临哪些问题呢,第一列是主要的问题,第二列是这些问题造成的电池性能衰减问题,在这个过程中也有进一步提高的措施,也有方法。后面的不跟大家仔细的分享了。目前我们发展的方向是全固态锂离子,我的PPT里列出的是材料系统、方法,锂离子主要在四个方面发力,一是发展氧化物的电解质,二是发展硫化物的电解质,三是聚合物的电解质,四是固态电解质之间的界面问题,兼容性和稳定性。

目前,锂电池发展的状态是什么样的呢?我在左边列出了世界上有名的公司做的电池,这个表列出的是他们目前做的情况,大家都在积极的做这方面的工作,这是一个非常大的方向。我们发展锂离子,进一步的从业态锂离子发展到固态锂离子,在电池类型方面有三个方向发力,第一个是锂离子电池,第二个是锂硫电池,第三个是锂空气电池。

锂硫电池为什么目前还没有产业化,主要是存在四个问题,第一个是硫的产业性很低;第二个是充分裂的过程中体积造成了循环寿命的减少;第三是安全,因为用的是锂金属阳极安全性也是值得考虑;第四是硫还原了以后要溶解,产生了相同的效应,这也是一个很大的问题。所以,就是这四个问题造成还不能大范围的应用。

对于锂空气电池存在四个方面的问题,一是锂空气电池在空气上,氧的还原和氧的溢出,目前还没有发展出非常好的双功能催化剂,无论是活性还是稳定性都没有达到效果。二是现在有好一些的是贵金属铂金,但是,催化剂的价格很高,对于大规模的产业化不利。三是锂空气电池反应过程中生成的氧沉积物会把电极堵死,阻止进一步的反应。四是电解质对少量的微分水量很敏感。锂空气方面有四个方面继续努力,一是发展空气锂电池。二是大力发展双功能催化剂,在活性和稳定性上下工夫,主要是对氧的溢出和阳还原的两种反应。三是发展过滤模。四是发展固态的电解质,以及混合的电解质,使得锂空气电池的寿命进一步提高。

总结几个方面:首先,使用燃油车是一种不可持续的方式,主要是燃油车排放中大量的二氧化碳等有害气体对环境造成污染,使人类的生存造成威胁性。这样就要发展新能源无污染的汽车解决这样的问题,增加可持续性。在发展新能源汽车的状态下,目前主要是发展液态和锂电池,燃料电池也是一个方面,锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池要继续的发展,目前从液态逐步的过渡到固态,这样才能达到能量密度的目标500Wh/kg。目前,怎么达到500Wh/kg的目标,还需要进一步的增加能量密度、功率密度和寿命,这三项仍然是研究的热点,当然,电池的价格也需要安全。还有一个是安全性,锂电池的安全性也担心,尤其是三元体系的安全性有问题,怎样提高安全性,因此安全第一。还有一个强调的方面是,目前正在发展的概念状态,像锂二氧化碳电池以及无阳极的锂电池,目前这两个方面概念非常新,在这面要下力气,尤其是可使用性方面下力气,达到大于500Wh/kg的目标。

这个PPT是我、我的博士后以及我的同事过去发表的编著的英文书,这套书大家感兴趣的可以上网查一下。

上海大学目前正在发展锂电池,这个照片是我们锂电池中心的老师和研究生,他们在这方面做了很多的工作,感谢他们。

谢谢大家听我的报告,如果有问题可以联系我,我们继续讨论,感谢大家。 

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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