Нан Севен: литиевой батарее еще есть куда развиваться

1 марта 2017 года четыре министерства и комиссии выпустили План действий по содействию развитию индустрии автомобильных аккумуляторов, в котором установлены четкие требования к характеристикам, емкости, безопасности, материалам и оборудованию аккумуляторов. Перед лицом стремительного роста в 100 миллиардов ватт, как отрасль может противостоять новым технологиям, которые появляются в бесконечном потоке? В этой статье недавно взяли интервью у Нэна Сэвэня, академика Китайской академии наук и декана Института материаловедения и инженерии Университета Цинхуа. Полностью твердотельные литиевые батареи значительно улучшат безопасность и производительность, но до индустриализации все еще существует необходимость в постоянном обновлении существующих технологий. В будущем, с постоянным открытием новых материалов, технологий литиевых батарей и возможностей для промышленного развития безграничны.

«Золотой ключик» для решения проблем безопасности

Энергетический обзор: в 2017 году, в связи с быстрым расширением ассортимента электромобилей, вопросам безопасности было уделено беспрецедентное внимание. Как вы думаете, в чем преимущество твердотельной литиевой батареи по сравнению с обычной литиевой батареей?

Нан Севен: Проще говоря, традиционная литий-ионная батарея представляет собой структуру, в которой положительный и отрицательный электроды разделены диафрагмой и залиты в органический электролит. Электролит легко просачивается, особенно при коротком замыкании или перезарядке положительных и отрицательных электродов, что приведет к быстрому повышению температуры, электролит испарится и разложится, и будет образовываться большое количество газа, что приведет к быстрому повышению температуры. могут вызвать проблемы с безопасностью батареи и даже вызвать возгорание и взрыв батареи.

Полностью твердотельная литиевая батарея использует полностью твердый электролит для достижения функции «два в одном», заменяя диафрагму и электролит в традиционной батарее для решения проблемы безопасности. В то же время, после использования полностью твердого электролита металлический литий можно использовать в качестве отрицательного электрода для увеличения плотности энергии.

Проблема безопасности - это ключ и основа развития отрасли, а также основы выживания отрасли по производству аккумуляторов; Плотность энергии является стержнем отраслевых исследований и разработок, а также перспективами развития отрасли. С точки зрения решения проблем безопасности и использования существующих материалов для повышения плотности энергии можно ожидать, что полностью твердотельные литиевые батареи будут соответствовать потребностям промышленного развития и заслуживают энергичного развития.

Energy Review: можем ли мы лучше решать проблемы безопасности на основе существующих технологий?

Нан Севен: Существует множество методов повышения безопасности литий-ионных батарей, таких как системы управления батареями (BMS). Однако BMS - это средство «лечения симптомов», и «правило управления» должно исходить из самого материала батареи. Среди них использование керамической диафрагмы - хорошее направление для повышения безопасности литий-ионных батарей. Он покрыт слоем нанокерамических (Al2O3) частиц на подложке сепаратора, что увеличивает механическую прочность и термоусадку сепаратора и снижает возможность прямого короткого замыкания между положительным и отрицательным электродами, тем самым повышение безопасности. Керамическая диафрагма нового поколения представляет собой диафрагму с покрытием из нанокерамического волокна (производства Jiangsu Qingtao Energy), которая имеет лучшую термостойкость и более эффективна для повышения безопасности литий-ионных батарей. Второе поколение продукции - это активная диафрагма с керамическим волокном. Использование волокон из керамического электролита, помимо повышения безопасности, также увеличивает скорость проводимости ионов лития, тем самым улучшая характеристики заряда батареи. Общая идея состоит в том, чтобы повысить безопасность существующих литий-ионных батарей с помощью керамических диафрагм и постепенно заменить диафрагму и электролит твердыми электролитами, чтобы полностью решить проблему безопасности.

«Energy Review»: Таким образом, твердые электролиты можно назвать «золотым ключом» для решения проблемы безопасности аккумуляторных батарей. Какую стратегию развития, по вашему мнению, следует выбрать отрасли, исходя из существующей промышленной планировки и исследований и разработок?

Nan Cewen: В настоящее время Bolloré из Франции, Sakti3 из США и Toyota из Японии представляют типичное направление исследований и разработок трех твердых электролитов из полимеров, оксидов и сульфидов. По сути, сочетание нескольких методов - тоже идея. Например, комбинируя неорганические материалы с органическими материалами, общий принцип состоит в том, чтобы попробовать в середине нескольких схем. Более вероятная стратегия развития в будущем - это медленный переход и постепенное уменьшение количества электролита, например, с 20% до 30% до 5% до 10% или даже 0, от полутвердого до полностью твердого.

Хотя нынешний тип твердотельных батарей «недалеко от жажды», он все еще не получил промышленного развития. Однако до этого отрасль постоянно совершенствовала существующие технологии, чтобы постепенно повышать безопасность и удельную энергию существующих батарей, например совершенствовать их. Существующее соотношение материалов, улучшенные характеристики электролита, системы управления батареями (BMS) и многое другое.

Научные исследования и индустриализация: от 1% до 100%

Energy Review: Каковы ваши ожидания от программы 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 требует, чтобы все работали вместе, чтобы сделать это возможным. Конечно, это также зависит от стандартов индустриализации, в какой степени и в больших масштабах. Например, сообщается, что цель немецкой компании BMW состоит в том, чтобы к 2028 году японская Toyota не объявила о графике коммерциализации, но ранее она инвестировала значительные средства в сферу полностью твердотельных аккумуляторов и активно развивалась. усердно работаю.

Energy Review: в каких областях будут использоваться твердотельные литий-ионные батареи в будущем?

Нан Севен: Все твердотельные батареи в настоящее время используются в некоторых специальных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая и медицинская, где предъявляются абсолютные требования к безопасности. Будущее имеет хорошие перспективы в области энергетики и хранения энергии.

«Energy Review»: Будучи новой технологией, полностью твердотельные литиевые батареи неизбежно будут иметь такие проблемы, как недостаточная технология и высокая стоимость. Как вы оцениваете мнение о том, что высокая стоимость является самым большим препятствием для индустриализации?

Нан Севен: Общие низкоскоростные характеристики твердотельных литиевых батарей - это научная и техническая проблема, которую необходимо решать медленно. Проблема стоимости - не самое большое узкое место. Фактически, любые новые технологии и новые продукты вначале дороги. Когда производственная технология станет зрелой и объем производства будет расти, затраты, естественно, могут снизиться. Следовательно, стоимость решается отраслью, а не проблемой, которую может решить академический мир. .

В то же время цели, которые преследуют лабораторные исследования и индустриализация, различны. 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 согласованности. Сексуальность, совсем неплохо, и все аспекты должны быть рассмотрены вдумчиво, поэтому для изменения 1% на 99% или даже 100% все еще существует потребность в мосте и процессе трансформации, который необходимо постепенно улучшать из лаборатории. и пилот. Затем увеличьте масштаб и доработайте, чтобы добиться полной управляемости.

Развитие без «потолка»

Energy Review: прорыв в области химических аккумуляторов, основанный на инновациях в технологии материалов. С этой точки зрения, как вы оцениваете направление исследований и разработок в области полностью твердотельных литиевых батарей?

Нан Севен: В отличие от обычных людей литий-ионные батареи - это не то же самое, что обычные электронные компоненты. На самом деле это очень сложная система. Например, положительный электрод и отрицательный электрод представляют собой композиционные материалы из различных материалов, а электролит и сепаратор также могут быть смесью различных видов.

Твердотельные батареи кажутся простыми, но они также очень сложны. Например, слой положительного электрода жидкой литий-ионной батареи содержит множество компонентов, таких как активный материал положительного электрода, проводящий агент, раствор электролита, связующее и т.п., и если он заменен полностью твердый электролит, поскольку электролит не проникает в слой положительного электрода, различные компоненты. Проблема согласования комбинаций может быть сложной. Изготовление жидких литий-ионных батарей похоже на смешивание песка с цементом. Добавление воды может примирить камни, песок и цемент, но в твердой батарее нет жидких веществ, как решить проблему границы раздела между твердыми и твердыми материалами и обеспечить эффективную активность веществ, проблема огромна.

«Energy Review»: Как вы думаете, каким будет технический путь развития литий-железо-фосфатных, тройных, высоконикелевых и полностью твердотельных батарей?

Нан Севен: Плотность энергии отдельной батареи должна достигать 300 ватт-часов / кг, и нетрудно разработать новые продукты на существующей технологической системе, когда она превысит 400-500 ватт-часов / кг, технически необходимы новые прорывы. , эволюционный путь осуществляется согласно времени, но батареи разных уровней навыков не являются отношениями между вами и живыми, а могут быть образцом сосуществования и симбиоза. Это означает, что после нового поколения батарей другие батареи будут полностью исключены, что может происходить постепенно и также может сосуществовать долгое время. Возьмем в качестве примера свинцово-кислотные батареи, хотя плотность энергии низкая, а загрязнение велико, до сих пор свинцово-кислотные батареи не были полностью заменены литий-ионными батареями, и они очень хорошо разработаны. Причина в том, что стоимость невысока, безопасность в порядке, а проблемы вторичного использования и вторичного использования решены лучше, так что он сосуществует с литий-ионными батареями. Различные батареи имеют разные характеристики и существуют в разных областях применения, подходящих для них. Energy Review: что касается плотности энергии, поскольку элемент, занимающий третье место в периодической таблице, литий-металлические батареи теоретически могут достигать 700 ватт-часов / кг. Это предел хранения энергии батареи?

Нэн Сьюэн: Это, конечно, не предел. Плотность энергии батареи требует всестороннего рассмотрения положительных и отрицательных материалов. При обнаружении нового материала положительного электрода удельная емкость и напряжение намного выше, чем у тройных или существующих материалов, а также увеличивается удельная энергия батареи. Ограничения для литиевых батарей или потолков, по крайней мере, в настоящее время технически не видны. Если вам необходимо определить относительные пределы, например, литий-ионный аккумулятор, который более чем на один порядок величины превышает текущую плотность энергии литий-ионного аккумулятора, его можно представить как предел (теоретическая плотность энергии составляет около 3500 Вт- часов / кг), но 700 ватт-часов / кг не предел.

Страница содержит содержимое машинного перевода.