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            當(dāng)前位置:首頁 > 展會(huì)報(bào)道 > 正文

            張久?。喝螂妱?dòng)汽車電池及鋰電池的發(fā)展:現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、展望

            中國粉體網(wǎng)訊  7月7日,2021中國國際鋰電產(chǎn)業(yè)大會(huì)(簡稱金磚鋰電論壇)在上海汽車會(huì)展中心順利召開。本屆金磚鋰電會(huì)議為期兩天,主題為以“新技術(shù)、新應(yīng)用、新發(fā)展”為主題,采用“會(huì)議論壇+展覽展示+體驗(yàn)營銷”三位一體的創(chuàng)新模式,多項(xiàng)重點(diǎn)活動(dòng)同期同地舉辦,充分協(xié)同聯(lián)動(dòng),品牌效應(yīng)和影響力大幅提升。加拿大國家工程院院士、上海大學(xué)理學(xué)院院長、上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院院長張久俊出席論壇并發(fā)表主題演講——《全球電動(dòng)汽車電池及鋰電池的發(fā)展:現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、展望》。




            以下為演講實(shí)錄:

            非常感謝大會(huì)的邀請,有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)和大家分享一下關(guān)于目前全球鋰電池發(fā)展的狀況。


            一、新能源電動(dòng)車發(fā)展的趨勢


            目前,全球汽車總量大約是17億輛。其中,中國有2.7億輛。這些汽車絕大部分都是燒汽油或者燒

            柴油的,燒汽油就帶來一種不可控的污染,排出的二氧化碳、一氧化碳、氧化氮、氧化硫等等污染物到大氣中,造成大氣污染,對于人類可持續(xù)發(fā)展造成威脅,這是目前汽車存在的問題。為什么我們說新能源電動(dòng)車發(fā)展有它的趨勢?首先,世界上各個(gè)主要發(fā)達(dá)國家都把發(fā)展新能源汽車列為國家戰(zhàn)略。去年以及前年,德國、法國、英國這些發(fā)達(dá)國家都紛紛宣布,到2040年左右他們國家要禁售燃油車。我們中國也在考慮這個(gè)問題,但是能不能到2040年把所有的燃油車都取代掉,我自己覺得可能有點(diǎn)為時(shí)過早。但是這是一個(gè)大的趨勢,告訴我們將來都要發(fā)展電動(dòng)車。


            為什么要發(fā)展電動(dòng)車?目前我們國家在大力提倡碳中和,雙碳目標(biāo),到2060年中國要達(dá)到碳中和。要達(dá)到碳中和,國際上的《巴黎協(xié)定》規(guī)定,在2100年前要把全球平均溫度控制在2攝氏度之內(nèi)。所以到2040年,全球電動(dòng)汽車數(shù)量需要達(dá)到6億輛。電動(dòng)車?yán)锩嬷饕褪请姵?,不管是燃料?/span>

            池、鋰電池或者其他電池,它就是電池。


            二、電化學(xué)能源技術(shù)


            什么是電化學(xué)的技術(shù)?電化學(xué)技術(shù)是目前被認(rèn)為最可靠、最有效的能源,它包括很多。這里面大概列出來十多種,常見的鋰電池,燃料電池、二氧化碳還原、鎳氫電池等等,還有金屬空氣電池,這些都是電化學(xué)技術(shù),其中有幾樣可以用在電動(dòng)車上。


            怎么樣衡量電化學(xué)技術(shù)?有五個(gè)大的指標(biāo)。

            1.能量密度要高,尤其在汽車?yán)茫芰棵芏仁欠浅V匾膯栴},牽涉到汽車的續(xù)航里程。

            2.功率密度,存的能要在多長時(shí)間可以排放出去,如果存了大量的能,但是很慢的排放出去,功率密度就比較低。尤其在汽車上是不可用的。

            3.循環(huán)壽命。汽車能夠充換電多少次,這也是很重要的。

            4.價(jià)格。這個(gè)電池再好,但是非常貴,那也不利于產(chǎn)業(yè)化。除非在一些非常特殊的環(huán)境下,比如說空間電源上,可以不計(jì)價(jià)格,或者軍事上不計(jì)價(jià)格。但是作為民用,大面積推廣,價(jià)格還是降下來的。

            5.安全性。安全性應(yīng)該是第一,這是非常重要的一個(gè)方面。


            五個(gè)大的標(biāo)準(zhǔn)來衡量電池的好壞。

            這是我根據(jù)能量密度、功率密度、壽命和價(jià)格,總結(jié)出來的各種電池有不同的直白,可以根據(jù)你的需要來選擇不同的電池。當(dāng)然,這里面有很多電池還處在早期的發(fā)展階段。比如說金屬空氣電池,能量密度特別高,但是現(xiàn)在處于發(fā)展階段。燃料電池現(xiàn)在可以在汽車?yán)?,但是價(jià)格特別貴,所以也不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。在燃料電池方面要花大力氣解決降價(jià)和設(shè)施的問題。


            三、鋰電池發(fā)展的趨勢


            鋰電池有很多的應(yīng)用:

            1.運(yùn)載裝備,應(yīng)用在汽車上。

            2.能源存儲(chǔ),光伏發(fā)展非???,風(fēng)能發(fā)展非???,這些可持續(xù)能源必須要儲(chǔ)存起來,才能夠應(yīng)用,鋰電池起到非常大的作用,尤其是磷酸鐵鋰電池。

            3.電子通訊。

            4.國防航天。


            鋰電池有非常有廣泛的應(yīng)用。下面講一下鋰電池以及全固態(tài)鋰電池。為什么這個(gè)電池被選用在汽車上?因?yàn)樗芰棵芏雀摺⒐β?/span>密度高,有很多優(yōu)勢。目前,鋰電池主要用在電動(dòng)汽車以及家用電器上。


            目前,它存在什么問題?

            1.電池壽命不夠。

            2.在汽車?yán)镉?,能量密度不夠?/p>

            3.安全性問題,我們要提高能量密度,假如我們用磷酸鐵鋰可能稍微好一點(diǎn),但是還是有安全問

            題。研發(fā)方向是發(fā)展新的材料,提高能量密度和功率密度。在汽車上,要提高循環(huán)壽命和減少充電時(shí)間,提高安全性。


            這是鋰電池關(guān)鍵材料技術(shù)路線發(fā)展,從這里可以看到鋰電池包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液、導(dǎo)電劑,一代一代的發(fā)展都是不一樣的。材料隨著不斷的進(jìn)展,第一代鋰電池的能量密度大概是100Wh/Kg,第二代變成了200Wh/Kg,第三代變成200-320Wh/Kg,第三代基本上是用三元體系。


            這是我們在鋰電池方面合成的負(fù)極材料,金屬氧化物的負(fù)極材料,進(jìn)一步提高能量效率。

            第二個(gè)可以用到汽車?yán)锏碾姵厥强沙潆婁嚵螂姵?,能量密度和功率密度都很高,目前存在一個(gè)問

            題,循環(huán)壽命還不行,最好的可以達(dá)到800次、900次,甚至1000次,但是這個(gè)在汽車應(yīng)用完全不

            夠。另外,安全性能也要進(jìn)一步提高。


            第三種可以用在未來汽車上的就是金屬鋰空氣電池,鋰空氣電池盡管目前發(fā)展不是那么快,但是做的非常好。最大的優(yōu)勢是理論能量密度非常高,可以達(dá)到30Wh/Kg,相當(dāng)于鋰電池的10倍。但是目前發(fā)展還是受限于循環(huán)壽命,另外一個(gè)是操作條件。


            我們做了空氣方面的材料,這些材料看起來都比較漂亮,不漂亮的話發(fā)表不出去文章,所以我們力求做的材料比較漂亮,看起來非常漂亮,顏值高,但是不一定好用。但是我們這個(gè)材料還是相當(dāng)不錯(cuò)的。


            目前全球電動(dòng)汽車鋰電池狀態(tài),化學(xué)組成和最佳實(shí)用性能。里面的Chemistries、主要的發(fā)展公司、電池的model、能量密度、循環(huán)壽命以及價(jià)格。能量密度一般都可以達(dá)到300Wh/Kg,即使磷酸

            鐵鋰也可以達(dá)到180左右,但是價(jià)格也都在100左右,循環(huán)壽命在1000-1500小時(shí)。


            我們看看電動(dòng)車發(fā)展的里程碑。首先要講到它的續(xù)航里程問題,續(xù)航里程實(shí)際上是一個(gè)很大的問

            題。從2014年的續(xù)航里程190公里充一次電,一直達(dá)到我們要求的至少在500-700公里的續(xù)航里程。


            大家可能對續(xù)航里程的概念還不是太清楚,因?yàn)槔m(xù)航里程和能量效率是有關(guān)系的,假如這里有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的能量效率,在一定能量效率下的續(xù)航里程。我們到2030年要達(dá)到600Km/Kg,使我們的電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能量密度要達(dá)到350Wh/Kg。


            電池本身可能要求更高了,2020年1月-6月全球前20名電動(dòng)車電池出貨量及系統(tǒng)能量密度,這個(gè)出

            貨量非常大。尤其從2021年以來,各個(gè)大的鋰電池公司,據(jù)我所知,機(jī)器全部開滿24小時(shí),訂單已經(jīng)訂到明年去了。這是一個(gè)雷達(dá)圖,里面有十個(gè)標(biāo)準(zhǔn),中間的紅色是鋰電池目前能夠達(dá)到的,這里面牽涉到能量密度,還達(dá)不到。功率密度也不好,可能最好的是日歷壽命和循環(huán)壽命。但是在這些方面,還要進(jìn)一步的提高。其中,我們要發(fā)展長續(xù)航里程的汽車,最關(guān)鍵的鋰電池指標(biāo)是能量密度,能量密度是最關(guān)鍵的指標(biāo),是技術(shù)更新?lián)Q代的一個(gè)標(biāo)志。當(dāng)然,能量密度要在安全的條件下。


            這是中科院李紅教授的PPT,我借來用一下。從90年代一直發(fā)展到2020年,我們目前電池本身能夠達(dá)到300Wh/Kg的水平。到2030年要求電池本身能夠達(dá)到500Wh/Kg。怎么樣能夠達(dá)到這個(gè)指標(biāo)?下面再和大家分享。能量密度和安全和緊緊結(jié)合起來的,從這個(gè)圖中可以看到循環(huán)壽命以及它的能量密度。能量密度越高的電池,它的循環(huán)壽命越差勁。能量密度越低的電池,它的循環(huán)壽命越好,這就是一個(gè)自然規(guī)律。任何一個(gè)物體,能量密度越高,它肯定不穩(wěn)定。但是,我們要怎么做呢?達(dá)到一定的循環(huán)壽命的時(shí)候,也有最高的能量密度,達(dá)到中間的優(yōu)化,這是我們努力的目標(biāo)。下一代鋰電池發(fā)展的路線圖,目前我們用的磷酸鐵鋰或者酸鹽,到2020-2025年要發(fā)展固態(tài)電池和鋰硫電池,到2025-2030年要發(fā)展鋰空,目前一個(gè)單體的電池是350Wh/Kg,我們終極的循環(huán)壽命要達(dá)到3000次。


            有效策略有這樣幾種,首先我們要認(rèn)識到問題,這些問題造成的后果,后面有改進(jìn)方式。


            高能量密度在未來的發(fā)展趨勢叫高能量密度全固態(tài)鋰電池,這是我們未來發(fā)展的趨勢。全固態(tài)鋰電池的主要問題在什么地方?


            電解質(zhì)的導(dǎo)電性,包括氧化物的電解質(zhì)、硫化物的電解質(zhì)、聚合物的電解質(zhì),以及界面與兼容性兩方面的問題。我們可以通過改進(jìn)措施來達(dá)到全固態(tài)鋰電池的發(fā)展。


            我們看看目前對于全固態(tài)電池研究的發(fā)展現(xiàn)狀,這里面列出了很多大公司,包括我們中國的幾個(gè)大公司,他們用的電池類型,目前達(dá)到的參數(shù)以及應(yīng)用場景等等,全固態(tài)鋰電池實(shí)際上還是相當(dāng)不錯(cuò)的,能輕意達(dá)到300Wh/Kg。


            在未來我們要達(dá)到500Wh/Kg的鋰電池,有哪幾種電池可以達(dá)到呢?我列出來三種電池。

            1.鋰硫電池。

            2.鋰空氣電池。

            3.二氧化碳。

            鋰硫電池和鋰空電池發(fā)展非常大,總體的趨向還是必須從液態(tài)電池到全固態(tài)電池。全固態(tài)鋰硫電池


            存在四個(gè)方面的問題。

            1.硫?qū)щ娐时容^低。

            2.體積膨脹。

            3.Li負(fù)極安全性。

            4.穿梭效應(yīng)。硫產(chǎn)生反應(yīng)以后,產(chǎn)生小分子硫化物,可以穿過溶液到負(fù)極上,產(chǎn)生穿梭效應(yīng)。

            我們也有很多的策略,業(yè)界也在做非常大的努力。第二個(gè)可能實(shí)現(xiàn)500Wh的電池是鋰空電池,鋰


            空電池存在的問題,空氣電極、催化劑、電解液等等問題,也要進(jìn)行不斷改進(jìn)。

            鋰空電池改良策略,要開發(fā)合適的碳空氣電極材料,發(fā)展雙功能催化劑,這是非常重要的一個(gè)方面。尋求空氣過濾等等方法,都是進(jìn)行改良鋰空電池的一些策略。


            四、總結(jié)


            1.基于化石燃料的汽車會(huì)造成污染并破壞我們的環(huán)節(jié),必須用電動(dòng)汽車取代燃油車。

            2.液態(tài)和固態(tài)鋰電池(包括鋰離子電池、鋰硫電池電池和鋰空氣電池)的進(jìn)一步發(fā)展開發(fā)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車500Wh/Kg能量密度目標(biāo)的必要策略。

            3.提高能量密度、功率密度、壽命仍然是電池開發(fā)的研究重點(diǎn)。探索低成本的高性能電極、電解質(zhì)材料是關(guān)鍵因素。

            4.安全性是未來鋰電池最重要的因素。

            5.可以進(jìn)一步探索鋰二氧化碳電池,不光對我們碳中和起到一定的作用,而且能夠達(dá)到500Wh/Kg

            的目標(biāo),目前停留在概念階段,要進(jìn)一步發(fā)展。


            這是我在過去十幾年與博士后、同事和朋友編的書,里面有七八本都是我們自己寫的英文書,大的出版社出版的,一共有26本。大家感興趣的話可以上網(wǎng)看一看。

            我們2017年和孫學(xué)連(音)院士在上海大學(xué)出版了一本英文雜志《電化學(xué)能源評論》,這個(gè)雜志

            2018年進(jìn)入SCIE。IFin2020:28.9052。大家如果有興趣的話,可以讀我們這本雜志,歡迎大家投

            稿。這是我們上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院鋰電池中心的老師和同學(xué),另外趙兵老師也是鋰電池行業(yè)的知名人士。最后非常感謝大家耐心的聽講!謝謝!


            (注:本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理,未經(jīng)演講嘉賓審閱,僅作為參考資料,請勿轉(zhuǎn)載?。?/span>


            (中國粉體網(wǎng)編輯整理/茜茜)

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