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WNEVC 2020 | 中国科学院黄学杰:动力电池无钴正极材料的技术研究

时间:2020-09-29 20:32:25|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,中国科学院物理研究所研究员黄学杰发表精彩演讲。

其主要观点如下:

1.梯度组分设计电极材料和高镍低钴/无钴层状正极材料是三元正极材料降钴的新技术。 

2.新一代无钴正极材料中镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)能量密度成本比更有优势。

3.无钴正极材料镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)中锂资源利用效率最高。

以下内容为现场演讲实录:

谢谢吴老师的介绍,我今天的话题是无钴的正极材料,也是组委会给我的命题作文,无钴的正极材料话题比较热,尤其是上周马斯克开完特斯拉股东大会之后,有一个媒体发布,特斯拉把这个事炒了大半年了,主要是讲怎么把电池的成本降下来,要把电池的成本降一半,现在单体电池的成本,锂离子每个瓦时也就是四五毛的样子,降一半还是比较狠的,但是如果这个目标实现的话,基本上电动汽车经济上就OK了。他有几招,怎么把尺寸变化、材料变化,后面重点是做正极材料里完全无钴,所以,大家都关心这个问题。

正极材料里最早是从钴酸锂开始的,但是,钴酸锂不能拿来做电动汽车,做了之后买不起,世界上也没有那么多钴拿来做汽车。无钴早就有了,日产的第一代电动汽车就是锰酸锂,就是无钴的,但是,锰酸锂的里程不够长,今天主要是用在二轮车。后面还有镍锰酸锂也是无钴的。

正式讲之前,我先说一下我工作的两个地方,第一个是中国科学院物理研究所固态离子学研究组,我在那里工作30多年,从组员到组长,主要是从技术研究做到应用研究,往产业转移技术,支持产业的发展。做无钴也做得比较早,97年我发的文章,活是96年干的,那个时候是把无钴的镍酸锂搞清楚。待会我讲25年之后,无钴镍酸锂有新的变化。这两年我花比较多的时间工作的一个地方是广东松山湖材料实验室,这个实验室2018年开始设立,有2年多的时间主要是做纯技术的研究到应用研究,以及到产业技术化的推广,做全链条的研究工作。

我们的房子正在盖,大概明年可以封顶,明年上半年可以搬进去。我们在那里做的是什么呢?在那里不仅做技术的研发,比物理所多了一块,如果实验做得比较好,过去我们就找企业投资,老板投资了以后,很多年都成不了产品,最后是成了但是代价也很大。现在做出材料以后,在实验室另外一部分就可以建实验车间,把它测成以后再给企业的老板,企业老板接过去就比较好一些。

接下来我讲几代无钴的材料,第一代无钴材料是锰酸锂,锰酸锂日常做50万辆以上的汽车,也没有烧过一辆,证明安全系数没有问题。为什么我们当时要做它呢,因为我们觉得这个材料安全,这个材料也便宜,那个时候没有考虑能量密度不够怎么办?那个时候也没有人给补贴,是2000年前后的事,所以就做了最便宜的,今天发现这个材料可以做电动自行车,2003年的时候,我就把它搬到苏州建生产厂。没有补贴就做自行车电池,那个时候发现做自行车电池可以做得很便宜。

我经常吓唬做氢酸电池的老板,我说小心点,锂离子电池会越做越便宜,总有一天会比锰酸锂还要便宜。今天我很高兴,锰酸锂的电池做得比氢酸便宜,对二轮车的替代也开始了。我们当时做二轮车的电池是为了生存,心里老惦记着汽车电池,在万钢主席的支持下,我们一起做了混合电力,这就是在同济做的混合动力的车辆,上面配的是高钴电池的锂电电池包。因为拿锂电两个做混合也是一个中国方案,现在在全球得到了很好的认可。08年这个电池包也做得比较漂亮,奥运会上有几十台车子在跑,后来往汽车方面走,因为混合动力汽车补贴不多,大家转到纯电动汽车,所以,无钴的正极材料主要是在电动自行车上,今天赶上了好时候。刚开始在国内卖不出去的时候主要是在欧洲卖,欧洲的邮政系统,像德国邮政、法国德国、比利时邮政、西班牙邮政都占有垄断的地位,今天看是这个样子,那个时候感谢市场,所以,我比较相信市场经济。

第二代的动力电池的材料——碳酸铁锂,碳酸铁锂是完全无钴的材料,感谢两位老先生,一个提出用在碳酸铁锂,一个是解决了碳酸铁锂工业性的问题,开始用在很多车辆上。这件事情我们也比较早地推动这件事,做材料的故事不讲了。2000年的时候,我们提出该做碳酸铁锂了,当时吴老师是裁判员,他是碳酸铁锂专家组的责任专家,给了我当时一笔很大的资金,有一个重点课题,叫做碳酸铁锂新型正极材料的研究,2001年给了500万,这是很大的一笔钱。那个时候做这个材料,但是光做材料不行,我们得拿电池说话,到了05、06年的时候电池出来了,开始在全世界推销,正好在法国抽了26家的电池测试,到了2010年他们跟我讲这个电池不错,使用下来有6千多次的寿命,我说这样吧,我们装一批车,能够坐三四个人的,这个车装了2千多辆,他们告诉我一部分已经跑过十年了,最短的也跑了7年多了,还没有一台车子换电池,证明电池是可靠的。今天人们把碳酸铁锂拿去做公交车更大的车子,听说做了一万多次的寿命了,十几年了,寿命提高一倍也是正常现象。

刚才肖成伟研究员也介绍了,现在主要是三元,去年卖的动力电池32%是碳酸铁锂,65%是三元。与碳酸铁锂同时代的三元正极材料离不开钴,为什么?因为这是一个层状的结构,锂和镍之间互相占位,钴进去以减少镍和锂的互占位。人们在不断的努力降低钴的含量,原来镍钴锰的含量一样,是三分三,接着把它往上提,提到523,钴变成20%,接着是811,整到80%的镍,10%的钴,钴越来越少的时候,材料技术进步才能做到这点,当然能量也会相应的上升,也会带来其他的问题,就是说安全的系数要求会高一些。今天人们想继续降钴的含量,三元材料降钴有新技术,今天很多人讲无钴,更多的是把三元材料的钴越降越少,从811的10%降到5%,接着往下压到3%,接下来比较少,大家认为就是无钴了。这里有两条技术路线,一条是把它做成梯度的材料,所谓的梯度的材料,把一部分的材料,以锰为主,产生了混合线,外层是以镍和钴为主,这样降低了钴的含量。今天我们都在做梯度的材料,把钴的含量降到3%甚至更少。这点今天也能够做到,实验室里做到了。

几十年来我们在琢磨的一个事就是把镍酸锂做层,专门作层状的镍的前躯体,接着把各种元素放进去,就是不用钴稳定结构。这块是持续地做,我的理解,大家说层状的无钴是逐步的减少钴的含量,直至5%、3%甚至到1%。如果我们采用的是镁、钛、或者是其他的材料,我们就把钴剔除出来了。

今天还要介绍一个材料,专家委员会把它选为前沿技术的一项,这是一种高电压不含钴的材料,提高电池的能量有两种方式,一种方式是提升容量,一种方式是提升电压,我更喜欢提升它的电压,为什么?我讲一个例子,就是镍锰酸锂不含钴,镍也不多,镍占1/4,锰占3/4,但是,这个材料和今天石墨的负极配对,做成的电池电压是4.5伏,碳酸铁锂是3.2伏,大概高40.6%,这个材料的颗粒容量150不到一点,碳酸铁锂160,高一些,但是,因为密度大,电池长宽高一样做出来的容量是一样的,但是电压高了40多一点,可想而知能量就散去了,能量多了40%。负极的量也没有变,制造的费用也没有变,成本有可能降30%。所以,材料是能够做出贡献的。

这个材料在锂资源的利用效率也是最高的,因为我们要尽可能的利用锂资源,每一公斤的碳酸锂能够储存多少容量,如果做成碳酸铁锂电池差不多12个千瓦时,能够储存12度电,如果做成锰酸锂电池储存11个千瓦时,但是,如果能够做到镍锰酸锂电池可以做到16个千瓦时,对锂资源的利用率也是最高的,所以,把它做出来之后,咱们要为行业提供锂资源利用率更有效,成本更优的方案。做了很多年,能够控制材料的形貌,更重要的是,这种材料不稳定,一般的情况下有两个原因,一是层状材料内部的结构容易发生不稳定,这个材料是尖晶石,这是最稳定的结构了,所以内部没有问题,问题就出在表面上,我们有一些办法改进材料的表面,因为内部是很稳定的,不像别的正极材料,内部不稳定,外部也不稳定,内外都要弄,这个材料有一个好处,解决了内部问题,内部的问题很稳定我们抓住外部就好了。抓下来以后,今天是什么结果呢?今天我们拿它跟NCA比,比下来是什么结果呢?循环100周以后是99.24%,接下来两个差不多,但是到了55度的时候,这个材料循环100周以后,容量保持率达98.65%,所以,优于三元材料。

大家说如果纯电池是什么情况呢?它跟石墨配对,两千次以上的寿命,这个阶段的时候,已经超过811了,我相信随着循环会更好,高压也很好,证明把材料做稳定也是可以的,这招用到手机里很快就可以干到4.5倍以上了。但是,这不是一天干出来的,感谢各个部门,给了我15年的时间,把主力部队放在这个材料上做,靠着这个基础把它做下来。这本身来讲,也是我们在过去各方对我们的理解,你做这个事相信可以把它做下去,所以,今天的无钴材料有了应用的机会。

时间也差不多了,非常高兴这次大会能够把这个材料评为前沿创新的一条,这个材料做成电池很快就会跟大家见面了,我刚才讲的在实验室已经有了日常300公斤的产能,无论是软包电池还是其他的,安全性还是不错的。

以上是我要汇报的内容。

最近做一个事,就是高容量的负极,今天不讲负极了,负极我们做了25年,这个更久一点,跟它一起推向电池的应用。下个月我估计会发布路线图,对镍锰酸锂材料有一个更细致的描述,感谢100多个集体单位过去这么多年的工作,感谢中国汽车工业协会有效的组织,谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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