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WNEVC 2020 | 厦门大学董全峰:高功率动力电池体系的探索

时间:2020-09-29 20:32:56|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,厦门大学特聘教授、基础加强计划首席科学家董全峰发表精彩演讲。 

其主要观点如下: 

1.未来的社会能源支持系统需要可再生能源和高效电化学储能的结合。先进动力电池的发展目标是构建高比能量和高比功率的新型电化学储能系统

2.将高功率的超电容与高能量的超电池有机结合,可以加快电化学反应。通过纳米材料的电化学过程可实现高功率,包括四种方式:一是表面的虚托付的,二是氧化还原很薄的表面模,三是导电聚合物,四是纯表面的嵌入和托迁。

3.电化学储能途径有两种,一类是典型的氧化还原反应(传统电池),再一类是界面上的电荷的存储和释放的过程(超级电容器)。其团队提出了一个新的模型,经过对材料的表面调控,能够实现既具有高的表面面积,表面上又具有和大量离子电化学吸附的能力。

以下内容为现场演讲实录:

各位同事大家下午好!下面我向大家介绍高功率电池体系的探索,高功率体系是973项目的研究方向。在这方面我们做了这么多年,有很多积累,今天我主要是从高功率的角度谈一些新体系,重点谈一些变化的过程。

未来社会,无论是可再生能源的利用,还是智慧城市、智慧社会的建立都要有新能源的支撑体系。另一方面,高功率电池体系有特殊的应用方向,尤其是军事领域,现在我们提出所谓的短时间跨度、高能量传递的变化学储能装置的需求,在短时间内把大量的能量拿出来。尤其是定向的武器,现在的武器都是靠物质和物质的作用,一个物质高速运动打上去摧毁目标。激光武器和各种出于电池波、光波范围内的作用都可能成为摧毁对方的力量,这个力量就是能量,所以,需要配套高功率的电源体系。

从基本的情况来看,现在转换体系有多种,一些是直接转变的,一些是间接转换的,化学电源是间接转换的体系,先转为化学能再把化学能转换出来。这里有个图是各种转换装置,这几个转换的装置有能量的、高能量的、高功率的。刚刚肖成伟主任提到的问题,是一个能量型、功率型综合利用的方向转变,今天我也会谈到这样一个问题。能量和功率看似两个方面,但是,它是一个对立统一体,就是能量和功率是矛盾的一个方面,现在要找出最大的公约数。我们开展的主要工作,可以分为能量侧的工作和功率侧的工作,能量侧的工作主要是,将来这个体系的能量是由反应来决定,供应是由将来提供的电流大小决定,能量侧方面,我们现在各种类型的高比能电池,包括黄学杰老师提到的新的尖晶石材料,是用高电压创造的。功率侧重要的是一些超级电容器,还有一些超级的类型这里不展开,后面会涉及到。

关于能量,一方面通过电压,另一方面通过电池数。在众多的高能量中有这样的选择,多点氢元素,这是我们重要的课题之一,这么多年来孜孜不倦地进行探索的问题。今天我会重点结合高功率方面实现既高功率又高能量的体系。要实现一个高功率,理论上来讲,这三个方面都要达到,一是电化学反应要快,二是扩散要快,三是整个系统的电阻要低。这三个方面缺一不可,哪个方面都会成为制约的因素,对我们来讲,我们更关注的是电化学反应,对于传统的电池而言,钴酸锂、锰酸锂,一定会涉及到材料本体内部离子的迁移,有的时候想快是快不了的,要真正想实现电化学步骤的快就要另辟蹊径,今天我会提供这方面的思路。如果电化学不快其他的也没有意义。有很多策略尤其是所谓的纳米材料进行了很多的改善,确实可以提高反应的速度。当然,最主要的是反应的波化能。

现在的情况是什么样子?一方面是很高功率方向的超电容,另一方面是很高能量的充分的电池,怎么把这两个方面有机的成为一个统一体。既然有对立就一定能够统一。这是几种类型,这是一种快的类型,这是典型的超级电容器了,超级电容器是靠锂表面储存电荷,在表面不涉及到本体反应很快,快速的储存,快速的放,但是量很小,显然快但是不满足多的要求。这是一些超级电容器和电池的典型对比,超级电容器的特征是循环差不多的矩形,典型的电池是很好的氧化还原平台,这是电力学上的特征决定了他们的表现,很有趣的现象。当我们把电池材料的尺度降到纳米的时候,会表现出电融的特征,这个时候电反应的速度快起来了。这显然是实现电化学速度快的重要一个途径,如果是碳酸铁锂的材料,又能够这样快,我们就可以满足既快又多的梦想。所以,纳米材料是很重要的一个方面,但是,纳米是不稳定的。这个是电解质表面的,主要是物理方面的,充电时候,电荷分离,放电的时候再综合,这是一类。

如果是高皮表面,只要有电铝液的地方都可以充满双电层,我们尽量让它高一些。像这种情况。一类是速度快,但是量有限,引入法拉第过程才有可能解决多的过程。这是我们经常说到的液电容或者是超级电容器。超级电容器具有高的表面,但是,引入了电化学反应的过程,这个电化学反应发生在表面,这一部分在现在也可以把它叫成表面性的容量,这个表面性的容量有一个电化学过程存在。它本质上和电池无疑,但是因为只在表面,所以就满足了快的要求。这是纳米材料的第二点,表面的电化学过程。这个电化学过程实现了很多,总体来讲大概有四种类型,一是表面的虚托付的,二是氧化还原很薄的表面模,三是导电聚合物,四是纯表面的嵌入和托迁。这几种类型现在广泛的应用在设计和制造具有高功率的电化学储能器上,有一些取得了令人振奋的结果,像纳米超级电容器、锂离子超级电容器等。

现在总的类型有对称的、非对称的,混合的等等,这些不同的类型在性能的表现形式上是不尽相同的。比如说图中是典型的纯电池的表现行为,分别显示充电和放电的波形。这个看起来很像电池了,可以把二者很好的统一起来,通过材料的设计和电化学过程的调控,能够把它以高能量、高速度的形式表现出来,这就是短时间跨度高能量传递。尤其是一些材料,本来一方面靠皮表面,另一方面赋予皮表面上有一些特殊的观摩团时,表面有电化学虚托付的法拉力特征,这方面材料是具有高功率和高能量的。

混合的类型有内混合和外混合,我举的这两个例子是已经应用的例子。超电池对于铅酸的改造很成功,铅酸电池现在可以做到800次循环、1000次循环、2000次循环,就是这种改造的成果,即内部植入了快速度的集片,也可以利用外部混合。外部混合是能量功率型,将来我们能实现既高又快,这种组合就不必要。这个材料做得好可以延续从高能量到高功率的演变过程,当我们电流相对小的时候,表现的很像电池,电流高到一定程度的时候就表现成这样。说明有一个宽范围变化的过程,这个过程也将帮助构筑既高又快的材料。

再一种类型是液向的氧化还阳,这是我们过去的工作,我利用反应的活性材料,不再是固体的碳酸铁锂等,而是业态的氧化还阳电对,是溶解态,不存在扩散的问题,就没有了速度的制约问题。这一类反应速度很快,只是比能量比较低。所以要设计很好的框架,把溶解活性物质的材料存储其中,看似是一个固态,实际上里面是液态的,可以取得很高的速度。刚刚是液向还原的过程,还有一种类型是纳米流体,就是活性材料把它做成纳米。但是纳米不稳定,它像浆料一样溶解,由电解质构成的流动体系,利用纳米材料的快速反应过程实现高速度。

总体来看,现在从电化学的角度有两种类型,一类是典型的氧化还原反应,再一类是界面上的电荷的存储和释放的过程,除此这两类之外再也没有第三类,第一类的类型是我们传统的电池,第二类是现在的一些超级电容器。能不能设想一个新的模型,让它填充他们之间的空白,就是说,这一类材料我经过表面的调控,能够实现让它既具有高的表面面积,表面上又具有和大量的离子电化学吸附的能力,如果能够实现这点就会是一个大的突破。

这样一个模型我们进行了初步的尝试,在这个模型的指导下,这是一个新的状态,我们利用这个状态进行了一些探索,制备了一些材料。这是这个材料的表征,这是对这个材料进行的分析,我们看它会不会达到我们的初衷。这是对它的处理过程。在这里可以看到,怎么把材料中的容量很好的表现出来,这种方法是可以看材料快的那部分和高容量的那部分。黑颜色包含的那部分面积是总容量,这部分的面积是高速度的那部分,高速度的这部分基本不变。

当我们速度慢的时候,高速度这部分占的比例少;当我们的速度快时,高速度占的比例多;当速度快到一定程度的时候,几乎把具有高功率特征的容量拿出来,其他的用不上了。用不上没有关系,关键是用上的这部分有多少,要达到量的要求。我们这个材料里快的那部分将近140 μF/cm2。理论上来讲,如果靠高皮表面的景点储存只能实现20-30 μF/cm2,这一定不是传统的理论所能解释的,这就需要我们提出新的模型,这个新的模型支持我们探索新的材料。我们在这个模型的指导下设计的材料可以做到100 A/g,秒级的。高容量的基本不变,就是速度快的那部分很稳定。这是把这个材料做成全电池的,很像一个锯齿状的东西,表现出来的比能量和比功率均优于高速度的锂离子电池,这样的材料无疑是将来我们解决高能量高比功的重要物质基础,因为我们要解决这些问题最后还是要依赖于材料。这是循环的性能,很稳定。

我讲的这些全部都是所谓高比能基础上的高功率,都满足一定的功率要求。这是一类新材料,高功率的特征是这个分子很大,不是有机分子,是无机分子。中心金属原子很多,分子很大,有很宽的离子通道可以实现高功率。所以,这又是一类高功率材料。这类高功率材料也是在很高的电流下实现容量,从而实现对称电池,就是正极和负极都用同一种材料。这类材料目前还没有办法和锂离子电池比,但是,功率已经达到了超级电容器的要求。

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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