吳鋒院士：新型二次電池及其關(guān)鍵材料研究進展

 

 

中國工程院院士、北京理工大學(xué)教授吳鋒

 

二次電池的應(yīng)用要求是數(shù)量級的，因此發(fā)展高性能的清潔二次電池成為人們的共識。隨著人們對電動汽車續(xù)航里程等要求的不斷提高，希望與壓力也同時放在了動力電池的身上，在看清動力電池重要性的同時，也要斟酌一些產(chǎn)業(yè)化指標的實現(xiàn)途徑。尤其是作為關(guān)鍵指標的電池能量密度，如何在提升比能量的同時兼顧安全性、循環(huán)性、倍率等指標，這需要企業(yè)在進行技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)過程中有所側(cè)重。

 

973研究項目從2002年開始到現(xiàn)在已經(jīng)有三期，該項目原定2017年結(jié)束，目前預(yù)計需要延期到2019年。該項目主要研究高比能的體系，從“輕元素、多電子反應(yīng)”材料入手，結(jié)合多離子效應(yīng)，發(fā)展高活性電極材料，構(gòu)建高比能二次電池新體系；其次是兼顧高能量密度的高功率體系，其不僅可以應(yīng)用于我國電力驅(qū)動汽車，還可以應(yīng)用于電腦，因此研發(fā)團隊希望通過多維多尺度電極材料界面功能的調(diào)控，實現(xiàn)電池的高能量和高功率密度。再次是安全性技術(shù)，研發(fā)團隊從調(diào)節(jié)和切斷電極反應(yīng)的基元步驟入手，提高單體電池的安全性，通過探究電池的安全邊界，提高電池系統(tǒng)安全性，通過對化成、注液等關(guān)鍵制備工藝和設(shè)備的升級改造，提高電池制造和使用的安全性；最后是在降低成本技術(shù)方面，通過對電池長壽命的研究和對廢舊動力電池的綠色回收、資源化再生利用，來降低電池的使用成本。

 

在高比能鋰離子電池與相關(guān)材料方面，要提高電池能量密度，材料要先行一步，研制出新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高較容量材料，還有通過尖晶石皮膚層等構(gòu)造及富鋰材料在納米尖晶石包覆后獲得比容量和倍率性能上的雙重改善；負極材料方面則以有機硅工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢料為原材料，通過導(dǎo)電聚合物包裹，實現(xiàn)硅納米離子與導(dǎo)電的的柔性組裝。

 

通過提出采用輕元素、多電子、多離子反應(yīng)體系實現(xiàn)電池能量密度跨越式提升的學(xué)術(shù)思想，打破了單電子反映的思維定式，開拓電池材料的研究視野，通過多變量協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)能量密度的三步跨越。

 

到2020年廢舊電池將達到17萬噸，這讓動力電池回收成為迫于眉睫的任務(wù)?；厥盏膹U舊電池正極材料還可再生，近兩年研發(fā)出了天然琥珀酸的綠色高效回收技術(shù)，將廢舊鋰電池負極回收制備碳吸附劑的研究，磷吸附量高達588µg/g，是目前最高的碳類吸附劑之一，且處理污水后的吸附劑還可以直接作為土壤緩釋肥使用，因此在這些方面探索動力電池的回收很有意義。

 

成會明院士：石墨烯在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的應(yīng)用

 

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院金屬研究所研究員成會明

 

完美的石墨烯具有非常好的性能，因此石墨烯被認為在眾多領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用。但要想獲得好的應(yīng)用，最重要的是在成本不高的情況下獲取高質(zhì)量的石墨烯。石墨烯的制備有五種主要的方法，其中化學(xué)剝離和化學(xué)氣相沉積的方法可以控制總量，成本相對來說可以節(jié)省。

 

石墨烯由于具有二維結(jié)構(gòu)、超薄的特點，又具有高導(dǎo)電、高力學(xué)性能、大比表面積、易功能化、穩(wěn)定性好等特征，因而可以在電池或其他器件里得到比較好的應(yīng)用。它的應(yīng)用方面包括活性物質(zhì)、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、催化劑、界面材料、基體材料等，應(yīng)用的器件也不僅限于鋰離子電池等金屬電池，也包括超過電容器甚至柔性的儲能器件。

 

以下是石墨烯目前的一些研究進展，目前尚未到應(yīng)用的層面:

 

第一，在鋰離子電池和超級電容器里面的應(yīng)用。首先石墨烯可作為金屬集流體的涂層材料，也可作為導(dǎo)電添加劑。此外，石墨可以做負極，石墨烯是不是也可以？經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)石墨烯確實有很高的容量，但是不可逆容量也很高，應(yīng)用效率很低，因而很難使用石墨烯做負極。但是石墨烯的高比表面積、豐富的官能團也有可能作為另外一種應(yīng)用，就是與高容量材料進行復(fù)合或雜化，在早期的時候就想到能否將石墨烯與氧化物進行復(fù)合，利用石墨烯來抑制氧化物的團聚、體積變化和石墨烯的再堆疊，同時石墨烯也會形成很好的柔性的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

 

由于石墨烯有很多缺陷，氧化物很容易在上面形成均勻的氧化顆粒，從而提高性能和容量。它的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，合成也很簡單，就是石墨烯溶液，將氧化物放進去，氧化物很容易合成，形成復(fù)合材料。

 

第二，石墨烯在鋰硫電池的應(yīng)用，目前這方面的研究很活躍。面對著低含量和低硫擔(dān)載量的問題，石墨烯可以在改進鋰硫電池方面發(fā)揮應(yīng)用，比如說限域或者是化學(xué)結(jié)合的方式，也可以通過繼承電極結(jié)構(gòu)的方式進行相關(guān)的改進。

 

第三，石墨烯在儲能里面的可能應(yīng)用。石墨烯材料可用于各種不同的儲能器件中，也可以起不同的作用，但是目前的研究發(fā)現(xiàn)，好像沒有能夠做到充電八分鐘跑一千公里的可能性。

 

孫世剛院士：鋰電池電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能調(diào)控和界面過程研究

 

中國科學(xué)院院士、廈門大學(xué)教授孫世剛

 

快速發(fā)展的電動車和規(guī)模儲能對電化學(xué)能源提出了越來越高的要求，這里面很關(guān)鍵的因素是燃料電池的催化劑，可充放電池的材料。

 

電池材料結(jié)構(gòu)方面，對于鋰離子來說，一個是牽流，一個是轉(zhuǎn)換，比如現(xiàn)在的電池負極材料利用的是石墨，商品化電池的容量比需求還是不夠，需要新的材料，比如金屬氧化物、硅等，這些材料用完以后帶來的問題是一旦容量增加，這些材料就會體積膨脹，在放電以后體積會收縮，任何一個材料就會發(fā)生損壞，這是一個難點。

 

如果在負極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計形狀的時候做成立方體、八邊體，就可以有更好的性能，更好的循環(huán)穩(wěn)定性。循環(huán)到200次以后還不衰竭，反而會增加，這和通常的材料是不一樣的。

 

正極材料有很多種，需要其容量好、多電子反應(yīng)、輕等，但其實正極材料的倍率性也很重要，因為這關(guān)系到它的鋰離子傳輸情況、傳輸通道等。表面反應(yīng)的時候通道力度如果大，可以更快的充進去放出來。開放的結(jié)構(gòu)，鋰離子很容易通過這個結(jié)構(gòu)進去，從這個意義來說，這對于鋰離子的傳輸有很大的影響。

 

鋰電池里面除了正極材料和負極材料以外，各種材料之間的界面過程也很重要。從分子水平和微觀機構(gòu)參差認識電池的界面結(jié)構(gòu)演變和反應(yīng)過程，理性設(shè)計和調(diào)控電化學(xué)能源材料的結(jié)構(gòu)是顯著提升其性能的基礎(chǔ)，這一點尤其重要。

 

鄭綿平院士：未來鋰資源的綜合利用

 

中國工程院院士、中國地質(zhì)科學(xué)院鹽湖中心主任鄭綿平

 

中國鋰資源量分布，四川、青海、西藏占比總量的85%左右。中國的鋰資源有幾個特點：第一、集中度比較高；第二、類型多樣；第三、均為多組分的綜合性礦床。因此要注意綜合利用。

 

對我國鋰資源開發(fā)利用的建議：第一是從自然角度講，要進一步加強鋰資源調(diào)查評價和研究；第二是要加大對鋰產(chǎn)業(yè)的支持力度；第三是進一步完善工藝；第四是加強科技研發(fā)，創(chuàng)新推動力資源加工技術(shù)和綜合利用發(fā)展；第五是東西部聯(lián)手。