Литиевая батарея ударилась о потолок?

1 марта четыре министерства и комиссии выпустили План действий по развитию индустрии автомобильных аккумуляторов, в котором изложены четкие требования к характеристикам аккумуляторов, производственной мощности, безопасности, материалам и оборудованию. Столкнувшись с перспективой скачкообразного развития в 100 миллиардов ватт-часов, как отрасли следует противостоять «бесконечным» новым технологиям?

Репортер недавно взял интервью у Нэна Севена, академика Китайской академии наук и декана Института материаловедения и инженерии Университета Цинхуа. Он считает, что полностью твердотельные литиевые батареи значительно улучшат безопасность и производительность, но до индустриализации все еще необходимо постоянно улучшать Существующие технологии. В будущем, с постоянным открытием новых материалов, технологий литиевых батарей и возможностей для промышленного развития безграничны.

«Золотой ключик» к решению проблем безопасности

Репортер: В 2017 году, в связи с быстрым распространением электромобилей, безопасности уделялось беспрецедентное внимание. Как вы думаете, в чем преимущество твердотельных литий-ионных аккумуляторов перед традиционными литий-ионными аккумуляторами?

Нан Севен: Проще говоря, традиционная литий-ионная батарея представляет собой структуру, в которой положительный и отрицательный полюса разделены диафрагмой и залиты органическим электролитом. Электролитические жидкости склонны к просачиванию, особенно когда они закорочены или чрезмерно заряжены положительными и отрицательными полюсами, что приведет к быстрому повышению температуры, испарению и разложению электролитов, что приведет к образованию большого количества газа, что вызовет проблемы безопасности в аккумуляторе и даже могут привести к возгоранию аккумулятора.

В полностью твердотельных литиевых батареях используются полностью твердые электролиты для обеспечения эффекта «два в одном», заменяя диафрагму и электролит в традиционных батареях для решения проблем безопасности. В то же время, при использовании полностью твердых электролитов металлический литий можно использовать в качестве отрицательного электрода для увеличения плотности энергии.

Безопасность является ключом и основой промышленного развития, а также связана с выживанием аккумуляторной отрасли. Плотность энергии - это основа отраслевых исследований и разработок, а также перспектива развития отрасли. С точки зрения решения проблем безопасности и использования существующих материалов для увеличения плотности энергии можно ожидать, что твердотельные литиевые батареи будут соответствовать потребностям промышленного развития и заслуживают энергичного развития.

Репортер: Можем ли мы лучше решить проблему безопасности на основе существующих технологий?

Нан Севен: Существует множество технических инструментов для повышения безопасности литий-ионных батарей, таких как система управления батареями (BMS). Однако BMS - это средство «управления», и «лечение» также необходимо начинать с самого материала батареи. Среди них использование керамической диафрагмы - хорошее направление для повышения безопасности литий-ионных батарей. Именно на подложку диафрагмы нанесен слой покрытия из частиц нанокерамики (Al2O3) для увеличения механической прочности и термостойкости диафрагмы, уменьшая возможность прямого короткого замыкания положительного и отрицательного полюсов, тем самым улучшая безопасность. Керамическая диафрагма нового поколения представляет собой диафрагму с покрытием из нанокерамического волокна (производство энергии Цзянсу Цинтао), которая имеет лучшую термостойкость и другие свойства и более эффективна в повышении безопасности литий-ионных батарей. Изделие второго поколения - это активная диафрагма с керамическим волокном. Использование волокон из керамического электролита, помимо повышения безопасности, также увеличит скорость проводимости ионов лития, тем самым улучшая удвоение характеристик батареи. Общая идея состоит в том, чтобы повысить безопасность существующих литий-ионных аккумуляторов с помощью керамической диафрагмы и постепенно развивать ее, чтобы заменить диафрагму и электролиты твердыми электролитами, чтобы полностью решить проблему безопасности.

Журналист: Итак, твердые электролиты можно назвать «золотым ключом» в решении проблемы безопасности аккумуляторных батарей. Какую стратегию развития следует выбрать отрасли, исходя из текущей производственной схемы и ситуации в области НИОКР?

Нан Севен: В настоящее время компании Bolloré во Франции, Sakti3 в США и Toyota в Японии представляют направления исследований и разработок трех основных твердых электролитов: полимеров, оксидов и сульфидов. На самом деле сочетание нескольких методов - это тоже способ мышления. Например, объединяя неорганические материалы с органическими материалами, общий принцип состоит в том, чтобы попробовать несколько решений. Более вероятной стратегией развития в будущем является постепенный переход и постепенное уменьшение количества электролитов, например, с 20% до 30%, от 5% до 10% или даже 0, и постепенное развитие от полутвердого до полностью твердого. твердый.

Хотя текущий тип твердотельных батарей «далек от гидролиза до почти жажды» и пока еще невозможно достичь индустриализации, до этого промышленность постоянно совершенствовала существующие технологии и постепенно улучшала безопасность и удельную энергию существующих батарей. . Например, улучшите существующее соотношение материалов, улучшите характеристики электролита, систему управления батареями (BMS) и так далее.

Исследования и индустриализация: от 1% до 100%

Интервьюер: Каковы ваши ожидания от индустриализации твердотельных литий-ионных батарей?

Нан Севен: Что касается индустриализации, то внутренняя формулировка обычно достигается к 2020-2025 годам, и некоторые эксперты предлагают стремиться к индустриализации в течение пяти лет. Эта цель станет возможной только в том случае, если мы будем работать вместе. Конечно, это также зависит от степени и масштаба стандартов индустриализации. Например, сообщается, что цель БМВ не объявить программу коммерциализации 2028, но она инвестировала значительные средства в полностью твердых батарей раньше и работает тяжело.

Интервьюер: В каких областях будут использоваться твердотельные литий-ионные батареи в будущем?

Nan Cewen: твердотельные батареи в настоящее время используются в специальных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая и медицинская промышленность, которые имеют абсолютные требования безопасности. Будущее имеет хорошие перспективы в области энергетики и хранения энергии.

Репортер: Будучи новой технологией, твердотельные литий-ионные батареи неизбежно будут иметь такие проблемы, как незрелость технологии и высокая стоимость. Как вы оцениваете мнение о том, что высокая стоимость является самым большим препятствием в ее индустриализации?

Nan Cewen: твердотельный литий-ионный аккумулятор, удваивающий производительность в целом низкий, и другие проблемы, связанные с наукой и технологиями, должны решаться медленно. Стоимость - не самое большое узкое место. Фактически, любая новая технология или новый продукт только начали появляться, а их стоимость выше. Когда производственная технология станет зрелой, а объем производства увеличится, стоимость, естественно, снизится. Следовательно, стоимость - это вопрос, который должна решить отрасль, а не проблема, которую может решить академическое сообщество.

В то же время цели лабораторных исследований и индустриализации не совпадают. Проводя исследования, чтобы изучить возможность и осуществимость 1%, вы можете найти новые материалы путем непрерывных инноваций методом проб и ошибок, пока есть возможность, даже 1% может быть; Промышленность стремится к 99% или даже 100% надежности и стабильности. Он не может быть плохим, и его нужно учитывать во всех аспектах. Следовательно, необходимо изменить от 1% до 99% или даже 100%. Посередине - мост и процесс трансформации. Необходимо постепенно совершенствовать лабораторные и средние тесты, а затем расширять и созревать для достижения полного контроля.

Развитие без «потолка»

Журналист: Прорыв в химической батарее зависит от инноваций в технологии материалов. С этой точки зрения, как вы оцениваете направление развития твердотельных литиевых батарей?

Нан Севен: в отличие от большинства людей, литий-ионные батареи - это не то же самое, что обычные электронные компоненты. На самом деле это сложные системы. Например, положительные и отрицательные полюса состоят из множества материалов, а электролиты и мембраны также представляют собой множество смесей.

Полностью твердые батареи выглядят просто, но они сложны. Например, положительный слой жидкой литий-ионной батареи содержит множество компонентов, таких как положительно полярное активное вещество, проводящий агент, электролит и связующее. Если его заменить полностью твердым электролитом из-за отсутствия электролитической инфильтрации в положительном слое, комбинация компонентов будет сложной. Изготовление жидких литий-ионных батарей похоже на смешивание цемента с песком на земле. Добавление воды может привести к образованию камней, песка и цемента, но в твердотельных батареях нет жидких материалов. Как решить проблему границы раздела твердых и твердых материалов и обеспечить активность эффективных веществ - большая проблема.

Журналист: Какую модель эволюции вы бы подумали от трехкомпонентного фосфата лития-железа с трехкомпонентным аккумулятором с высоким содержанием никеля до полностью твердотельной батареи?

Нан Севен: Плотность энергии отдельной батареи должна достигать 300 ватт / кг, и нетрудно разработать новые продукты на основе существующей технологической системы. Когда мощность превышает 400–500 Вт / кг, необходимы новые прорывы. С технической точки зрения, путь эволюции основан на времени, но батареи на разных уровнях технологии не являются смертельными отношениями и, возможно, сосуществующими моделями. Это означает, что появление батарей нового поколения не полностью устранит другие батареи. Это может быть постепенный процесс чередования, а может сосуществовать долгое время.

В случае свинцово-кислотных аккумуляторов, хотя их удельная энергия невелика и загрязнение велико, до сих пор свинцово-кислотные аккумуляторы не были полностью заменены литий-ионными, и они хорошо развиты. Причина в том, что его стоимость невысока, его безопасность высока, и он решил такие проблемы, как переработка и переработка, поэтому он сосуществует с литий-ионными батареями. Различные батареи имеют разные характеристики и существуют в разных областях применения, подходящих для себя.

Журналист: Что касается плотности энергии, то в качестве элемента, занимающего третье место в периодической таблице, литий-металлические батареи теоретически могут достигать мощности 700 Вт / кг. Это предел хранения энергии батареи?

Нэн Сьюэн: Это, конечно, не предел. Плотность энергии батареи должна учитывать как положительные, так и отрицательные материалы. Если будет обнаружен новый положительный материал, плотность энергии батареи увеличится, если емкость и напряжение намного выше трех юаней или существующего материала. Границы литиевых батарей или потолков технически не видны, по крайней мере, на данный момент. Если вы хотите определить относительный предел, в качестве литий-воздушной батареи, которая более чем на один порядок величины превышает текущую плотность энергии литий-ионной батареи, ее можно представить как предел (теоретическая плотность энергии составляет около 3500 Вт / кг), но 700 ватт / кг - не предел.

Страница содержит содержимое машинного перевода.