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艾新平教授:下一代动力电池关键材料与技术

时间:01-08 15:43

中国电动汽车百人会在上海安亭举办了产业培训(华东班)第一期课程,本期主题是「电动汽车核心技术突破与创新」,中科院物理所研究员黄学杰、丝瓜成年app短视频网站武汉大学教授艾新平、丝瓜成年app短视频网站华霆动力总经理周鹏、丝瓜成年app短视频网站上海电驱动副总经理张舟云、丝瓜成年app短视频网站精进电动创始人余平、丝瓜成年app短视频网站上汽捷新动力电池系统有限公司副总工程师朱玉龙、丝瓜成年app短视频网站新能源汽车动力系统专家王英、丝瓜成年app短视频网站华域汽车电动宋玉环等学者专家以及亚洲 中文 字幕视频代表对动力电池核心技术及发展趋势、丝瓜成年app短视频网站先进驱动技术发展及实践成果做了详细深入地讲解。


艾新平教授,武汉大学化学与分子科学学院教授,博士生导师。湖北省化学电源材料与技术重点实验室主任,科技部《新能源汽车专项》指南专家和总体专家组动力电池责任专家。主要研究领域包括:锂离子电池、丝瓜成年app短视频网站钠离子电池、丝瓜成年app短视频网站锂-硫电池,以及电池安全性技术。先后主持国家 973 项目课题、丝瓜成年app短视频网站国家 863 项目以及国家自然科学基金项目 10 余项,发表学术论文 100 余篇,曾获国家技术发明二等奖一项,省部级科技成果奖两项。


以下是艾新平教授的发言内容:


在分析动力电池的技术发展路线之前,首先讨论一下电池比能量对电动汽车发展的影响。


电池比能量是决定车续航里程的重要因素,因此决定了驾驶的便利性,对于电动汽车的市场接受度具有重要影响。当然像特斯拉那样,通过增加电池装载量也可以实现续航里程的大幅度提高,但这种做法我本人并不赞同。


这里有一个简单的计算:对于能量密度只有 120 瓦时/公斤的电池系统来说,如果向日葵视频app下载无限观看将车的续航里程设计为 150 公里的话,电池总重只有 100 多公斤,电池成本按照目前价格也就 2 万多元;但是如果向日葵视频app下载无限观看非要将车续航里程设计为 300 公里,整个电池系统的重量就变成了 340 公斤。对于一个经济性的轿车来说,800 公里的自重对 300 多公斤的电池,我想这个电池重量还是过重了。


再来看看能耗,由于大多数时候人们并不需要用到这么多电池,这就是为什么特斯拉在新加坡不被人们接受并遭到?畹原因,因为这种车并不环保,增加能耗也是增加了排放。


此外,过多电池还会造成整车成本的翻倍。假设按照向日葵视频app下载无限观看现在的规划,2020 年电池系统能够达到 200 瓦时/公斤,单体达到 300 瓦时/公斤以上,那么将车续航里程设计为 300 公里就是很正常的一个配置。但是,如果说基于 200 瓦时/公斤电池包非要将车设计到 500 公里,那么能耗也会增加 17% 左右,整车电池成本也会成番的增加。


因此,不考虑电池的能量密度,盲目的通过增加电池重量来增大续航里程,会导致能耗的增加,载人空间和可载重量的减少,整车成本的大幅度增加,实际上是不利于电动汽车发展的。动力电池的总体发展方向,还是应该在满足安全性、丝瓜成年app短视频网站寿命等指标的情况下,大幅提高能量密度。其实芰棵芏鹊提高也会带来成本的大幅度降低,因为对于制造同一个大小的电池来说,电池瓦时数高了,每瓦时的制造成本就会降低。


我这里给出了一个对应关系,如果单体的能量密度达到 300 瓦时/公斤,续航里程设计到 300 km 比较合理,400 就对应 400 续航里程;如果哪一天电池单体做到 500 瓦时/公斤,向日葵视频app下载无限观看设计续航里程 500 km 的车也就比较合理了。


如何实现电池比能量的提高呢?近期的目标是高镍三元正极、丝瓜成年app短视频网站硅碳负极实现 300 瓦时/公斤;中期(2025年)目标是基于富锂锰基/高容量 Si-C 负极,实现单体 400 瓦时/公斤;远期是开发锂硫、丝瓜成年app短视频网站锂空电池,实现单体比能量 500 瓦时/公斤。


这个路线可不可行?从目前的技术条件来看,除安全性还不太确定外,在 2020 年电池比能量达到 300 瓦时/公斤是没有任何技术风险的。


根据草莓app官网下载计算结果,400 瓦时/公斤电池要求正极容量达到 250 毫安时/克,负极容量达到 800 毫安时/克,这个要求也都有明确的材料体系相对应,比如富锂锰基可以达到 250、丝瓜成年app短视频网站280 甚至 300 毫安时/克的容量,硅碳达到 800 也没问题。所以,大家普遍认为的近中期技术路线总体上是可行的。远期目标中,理论上锂硫、丝瓜成年app短视频网站锂空达到比能量指标没有任何问题,比如锂硫的理论比能量为 2600 瓦时/公斤,锂空气在不考虑空气质量的情况下,理论比能量可以达到 11000 瓦时/公斤,与汽油接近。如果向日葵视频app下载无限观看只实现理论能量密度的 20%,也可以达到 500-600Wh/kg,这就是为什么大家都将锂硫、丝瓜成年app短视频网站锂空作为未来开发重点的原因。


这两个体系到底可不可行呢?现在就车用动力电池领域来分析一下:如锂空,是采用金属锂作为负极、丝瓜成年app短视频网站空气中的氧作为正极的一种电池体系,当然氧电极需要多孔碳作为反应载体。通过这么多年的发展,应该说在催化剂的选择、丝瓜成年app短视频网站机理研究、丝瓜成年app短视频网站电解液选择、丝瓜成年app短视频网站可充性等方面已经取得了很大的进展,但是无论怎么进展,我觉得作为一个应用亚洲无线观看,向日葵视频app下载无限观看必须要面对以下几个问题:


第一,它是一个开放体系,这是和锂离子电池不一样的,锂空要用空气中的氧,而空气中含有水,锂会与水反应,既要透氧又要防水,这是一个很难解决的问题。锌空电池为什么没有得到成功发展就是因为这个问题。90 年代向日葵视频app下载无限观看做了很多工作,包括开了一个小公司要将锌空电池产业化,但夭折了,遇到大的问题就是水的控制。锌空电池采用碱液为电解液,如果像上海这几天空气这么高的湿度,碱液就吸水,电池会「湮死」;如果在新疆这种比较干旱的环境,碱液就失水,电池就「干死」。这个问题一直没有很好的解决办法,现在锂空也遇到同样的问题。


第二个问题是氧的催化还原。氧的反应速度是非常慢,要提高氧的反应活性必须采用高效的催化剂,现在的催化剂都是贵金属。因此,必须发展高效廉价的催化剂,而这一直是制约燃料电池发展的一个短板。


第三个问题是金属锂负极的可充性。其实锂二次电池早于锂一次电池而出现,20 年代 60 年代先出现的不是锂一次电池,而是锂二次电池。大家知道世界上曾经有一个著名的电池公司—加拿大 Moli 公司,为什么这个公司现在基本上不复存在?主要的原因就是它们在上世纪 80 年代率先推出了锂二次电池,由于锂枝晶生长导致电池爆炸,在市场上将用户炸伤了,电池全部召回,从此一蹶不振,所以锂的可充性一直是一个问题。到现在为止,国际上一直没有很大的进展,短时间想解决这个的问题,也是非常难的事情。


另外一个问题是,它的放电产物是锂氧化物,将固态的锂氧化物再催化分解成氧和锂,多难啊。


我总结一下,锂空电池聚集了多个电池体系所遇到的难的问题,包括锌空电池、丝瓜成年app短视频网站燃料电池、丝瓜成年app短视频网站锂二次电池,此外还有一些自身特有的问题。因此,我认为锂空电池的实用化希望非常渺。


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