孫世剛院士：動力電池創(chuàng)新發(fā)展要發(fā)現(xiàn)新機制、開發(fā)新材料、構(gòu)筑新體系
11月18日-20日，第九屆動力電池應用國際峰會(CBIS2024)在中國上海舉行。本屆峰會以“向新·融合——開創(chuàng)產(chǎn)業(yè)合作新時代”為主題，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合電池中國網(wǎng)共同主辦，廣東利元亨智能裝備股份有限公司總冠名。在峰會開幕式環(huán)節(jié)，中國科學院孫世剛院士作題為《動力電池的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新發(fā)展》的主旨報告。
以下是孫世剛院士主旨報告內(nèi)容：
非常感謝張雨秘書長的邀請和介紹，感謝王秘書長，各個公司的董事長、高管、各位駐華領事館的總領事、參贊，大家上午好。
今天和大家分享的是《動力電池的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新發(fā)展》。
剛才成會明院士從技術研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化作了很好的報告，我側(cè)重在科學層面怎樣推動這個領域的發(fā)展。
一、新能源汽車動力電池
首先，新能源車現(xiàn)在的發(fā)展非常快，動力電池利用可再生能有兩個方面，一是通過可再生能源生產(chǎn)燃料，比如把二氧化碳等轉(zhuǎn)化成燃料，這樣的燃料用作燃料電池驅(qū)動汽車。二是通過動力電池驅(qū)動汽車。
在我國，動力電池主要用于驅(qū)動乘用車等，燃料電池則主要驅(qū)動卡車等。
我國是全球新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度最快的一個國家，去年全國新能源汽車保有量超過2000萬輛，但是占我國汽車總保有量的比例僅為0.6%。今年11月，我國新能源汽車產(chǎn)量突破1000萬輛，規(guī)劃到2035年，總銷量的50%左右是電動車。
我國燃料電池車也在不斷發(fā)展，燃料電池車去年保有量是18000多輛。其中，在商用車領域，我國也是全球燃料電池商用車保有量最多的國家，規(guī)劃到2030-2035年達100萬輛。
從我國總的車輛發(fā)展規(guī)劃來看，燃油車的銷量會逐步下降，而新能源車不斷增長，滲透率不斷提升。
從全世界來看，中國新能源汽車的增長也是很快的。不光是中國，還有其他國家，比如瑞典的總領事剛才談到了，他們也在大力推行電動化綠色發(fā)展。
在動力電池方面，從各個地區(qū)來看，中國的年銷量目前是最高的，但是隨著發(fā)展，中國占全球總銷量的比例會慢慢下降，但是總量會增加。而美國、歐洲等其它國家和地區(qū)的銷量占比會有所增加，這是一個趨勢。
這樣的增長態(tài)勢對動力電池提出更高的要求，不光是高能量密度、高功率密度，還有高安全性、長壽命、寬溫域的適應性，以及降低成本，這也對產(chǎn)業(yè)界、學術界都提出越來越高的要求。
二、動力電池面臨的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新發(fā)展
動力電池面臨哪些挑戰(zhàn)?如何創(chuàng)新發(fā)展?
從材料端來看，要尋找更高能量密度的材料，比如負極就是從硅碳到鋰，正極從磷酸鐵鋰到高鎳、到鋰硫、富鋰錳，這個發(fā)展的過程會不斷推高能量密度，我們怎么把它用到實際的車上或者用到老百姓的手上，需要我們解決很多安全性的問題。比如用鋰金屬負極，它的克容量是石墨的十幾倍，但它很容易產(chǎn)生枝晶，由于枝晶的產(chǎn)生就造成安全隱患。
我們用高比容的材料首先提升電池的電壓，電壓提升，能量密度提升，但帶來的是會分解電解液，同時電極材料要求穩(wěn)定，所有這些都是我們需要解決的問題。因為鋰金屬作為高能量密度的負極不光用到鋰電池，鋰硫電池、鋰空氣電池都會用到它，所以它所面臨的問題非常重要，它的生產(chǎn)規(guī)律我們要去調(diào)控。
下面舉幾個例子說明對鋰金屬，我們已經(jīng)看到了很多解決方案，比如通過人工SEI膜或者通過一些三維集流體或者固態(tài)電解質(zhì)等。我們從事電化學，從基礎研究角度看，最核心的是鋰沉積、溶解的過程，也就是鋰在溶解、沉積的時候我們能不能調(diào)控它，我們能不能認識這個生長規(guī)律，調(diào)控這個規(guī)律，使它不再形成枝晶。其中一個解決方案就是找到合適的添加劑。
舉個例子，我們通過這樣一種添加劑有效的抑制它枝晶的生成，這是基礎電解液加硝酸鋰，再加上六氟磷酸銀，這樣一種復合添加劑沉積一個小時后，復合添加劑的表面就很光滑，這樣一個復合添加劑抑制了鋰的成核生長過程，使表面枝晶不再生成。
我們用一組電池對比來看，加上這個復合添加劑它的循環(huán)壽命大幅提升，如果沒加的話可能只有一兩個小時，十幾個小時就短路了，但有這個添加劑會把壽命延長到幾千個小時甚至更長。把它用到一個雙離子體系，我們可以有效的提升它的循環(huán)壽命、安全性。
這個安全性就是把液態(tài)換成固態(tài)，固態(tài)電池是現(xiàn)在討論和研發(fā)做的很多的課題，把電解液從液態(tài)換成固態(tài)電池后，首先它不燃燒，它的燃點會比較高，同時沒有液體受熱的風險，很多人想象它能不能抑制鋰枝晶，這個其實是大家很關心的。在固態(tài)電池里面鋰枝晶同樣可以生成，所以固態(tài)電池也要解決鋰枝晶帶來的安全問題。
同時固態(tài)電池固固界面兼容性差，而且傳輸阻力大，動力性也跟不上，這些都是我們需要面對和解決的問題。
固態(tài)電池還有需要解決的難題，特別是技術難題、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化還存在一些較大的問題，它的離子導電率低、界面效應很差，這是兩個最大的需要解決的問題。
對于無機固態(tài)電池電解質(zhì)，一個是氧化物，一個是硫化物。對于氧化物來說機械和熱穩(wěn)定性好，但是離子電導率低。對于硫化物來說，離子電導率比較高，它可以和液態(tài)電解質(zhì)差不多，但是熱穩(wěn)定性差，成本高。
這兩類的固態(tài)電解質(zhì)都有一個共同的特點，界面問題非常嚴重，做成電池的時候需要加上很多的大氣壓在一塊。在這部分的大力壓力下，電池的工作也是很難完成的。
所以我們想說能不能回到更微觀的層次上解決這樣的風險，用一個例子來說明一下界面層。界面層可以形成很好的界面，比如說用鋰鈷氧，雖然說是一個非常成熟的體系，但是現(xiàn)在在手機里面不斷的充電電壓，提高密度。
在這個過程，和我們用到固態(tài)電池的時候，同樣存在一個界面問題。我們的想法就是我們用一個中介的物質(zhì)力鋰鈷鈦氧，用這個物質(zhì)做一個界面層。我們把界面層首先在鋰鈷氧粒子表面形成很薄的一層包覆層。形成包覆層以后的表征，就可以通過計算實驗可以有效的改善界面的兼容性，而且包括一些界面的電位也會發(fā)生變化。
在這種情況下由于包覆層存在，在一個中間層就把固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電極有效的形成一個共融的界面層，這個時候工作就不再加壓力了，我們直接裝成電池就可以很好的工作，而且循環(huán)、倍率性能也能夠跟得上，通過長期的循環(huán)，有了界面層以后，粒子可以保存得非常好。如果沒有界面層，電極材料就破損了。通過離子，我們可不可以從微觀設計界面，有效的解決這個問題，根本上消除界面的兼容性問題。
再舉一個聚合物電解質(zhì)的例子，它的優(yōu)勢是良好的界面接觸、高柔韌性，而且很容易加工，缺點就是離子電導率低，而且電壓窗口比較窄，與正負極的匹配性能受到限制。我們怎么樣解決這個問題?
比如說從分子設計上面來解決它的問題，把這幾個問題克服，比如說通過高聚物本身是一個固態(tài)電子，再用鋰金屬撐作一個骨架，再把鋰金屬配比放進去，然后再把鋰元放進去。用這種PFVS的電解質(zhì)就在把PFV作為骨架作為鋰元和鋰金屬。放進去以后通過聚合物的嵌段與離子配位和快速離子通道促進鋰離子的快速舞動。
通過氟化聚合物電解質(zhì)的拓寬電解質(zhì)的電位窗口，這樣的原位聚合的電解質(zhì)和正負極都有很好的匹配性，顯著提升鋰金屬的電池循環(huán)性能。
當我們進行表征，首先這種聚合電解質(zhì)有高達0.82的鋰離子遷移數(shù)和0-5.1V的電位窗口，可以提升能量密度。
同時PFVS也有10(-4)Scm-1，而且表面活化能明顯的降低。可以和磷酸鐵鋰、高鎳三元材料、鋰金屬負極都有很好的穩(wěn)定性界面，循環(huán)性也很好。
進一步提升電池的密度，要超越鋰的無金屬材料，也要想到鋰硫電池，能量密度理論上比金屬鋰電池高了十幾倍。
鋰硫電池的瓶頸是催化劑，因為硫是不導電的，而且反應要催化劑進行工作，要面臨多硫化物的穿梭效應，還有解決鋰枝晶的問題。
舉一個例子，怎么提升催化劑催化性能，在這種情況下我們引入了催化活性位點，我們用納米鋰原子柱作為催化作用點。有了這個原子催化作用力我們使它循環(huán)性能提升了兩倍以上，它可以保持長時間的循環(huán)穩(wěn)定性，在鋰硫電池里從催化的角度來講催化位點這個活性位點非常重要，怎么使催化劑的性能更高，我們怎么構(gòu)筑更高活性的催化位點穩(wěn)定的循環(huán)。
最后大家關注的就是進一步提升動力電池性能，我們的金屬空氣電池或者鋰氟碳電池，這兩個可以得到更高能量密度的電池。對金屬電池用鋰、鋅、鎂都可以，但對這樣一些電池我們也面臨它的氧還原和氧分解物，氧氣作為它的正極反應，所以它氧的還原和化合物的分解要合成雙功能的催化劑，同時實現(xiàn)氧的還原和氧化物的分解。
同時也要解決鋰金屬枝晶帶來的安全問題，對這樣一個工作我們想怎么構(gòu)筑它的體系?它的優(yōu)勢是充電有比較高放電電壓，使它的能量密度高，缺點也很明顯，由于高的過電位所以很快的衰減。
但這樣一個電池體系我們可以考慮把它做成一個開放式，一種就是現(xiàn)在的電池體系充電、放電是封閉的，大部分氧氣電池要開放要與氧氣接觸，與氧氣接觸能不能把它放到空氣中運行，這需要構(gòu)筑自呼吸的系統(tǒng)，這樣的一些研究帶來的問題就更多，實際應用還要解決很多問題。
舉一個例子，把它做成一個封閉的鋰氧氣電池的系統(tǒng)，對這個鋰氧氣電池的工作原理，它負極鋰的氧化和還原對它的正極來看，如果做一個開放的體系就是氧氣的反應，氧氣生成氧化物，可以用這種氧化物之間可逆的轉(zhuǎn)換做一個正極反應，把它作為一個載體可以做成封閉體系。
這個氧可以生成超氧化鋰、過氧化鋰和氧化鋰，但每一步都會發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，可以用來做儲存，我們可以把超氧化鋰和過氧化鋰作為一個封閉體系，它作為一個可逆的轉(zhuǎn)化作為一級，也可以把過氧化鋰和氧化里作為一級，總之它們都可以做一個氧化還原對做成一個封閉的電池體系。
比如從過氧化鋰到氧化鋰有一些報道，但電壓要小于3V，因為高于3V就會產(chǎn)生氧氣，產(chǎn)生氧氣就不再是一個封閉電池了，所以我們想用超氧化鋰和過氧化鋰做，我們可以讓它的電壓升高到3.6V，關鍵就是我們怎么穩(wěn)定超氧化鋰否則氧氣很容易析出。所以我們采取的方案就是用石墨烯這樣的材料來穩(wěn)定超氧化鋰，使得這樣的物質(zhì)可以反復進行。
把它做成一個封閉體系后可以做很長時間的循環(huán)，一般的鋰氧氣電池循環(huán)100周、200周就很長了，這個可以循環(huán)到700周以上而且非常穩(wěn)定。
三、總結(jié)
最后做一個總結(jié)，我國新能源汽車擁有量預計今年將突破3千萬輛，占世界新能源汽車總量的一半以上。在碳達峰碳中和目標驅(qū)動下，將進一步快速增長。
動力電池面臨不斷提升能量密度、功率密度、安全性、使用壽命、極端環(huán)境適應性和降低成本的重大需求和挑戰(zhàn)。
加強基礎研究，發(fā)現(xiàn)新機制、開發(fā)新材料、構(gòu)筑新體系，是動力電池創(chuàng)新發(fā)展的源泉。
最后，感謝大家，謝謝。
(以上為嘉賓演講內(nèi)容速記，未經(jīng)嘉賓核對)
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