中國(guó)科學(xué)院院士張鎖江：材料革命將推動(dòng)電池儲(chǔ)能革命

2017-09-12 15:57:32 新材料在線　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

8月26日，中國(guó)科學(xué)院院士張鎖江在2017動(dòng)力電池新材料技術(shù)與發(fā)展高峰論壇上作了題為《動(dòng)力電池系統(tǒng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的精彩報(bào)告。他指出，社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)的突破提出了剛性需求，現(xiàn)今動(dòng)力電池行業(yè)得

8月26日，中國(guó)科學(xué)院院士張鎖江在“2017動(dòng)力電池新材料技術(shù)與發(fā)展高峰論壇”上作了題為《動(dòng)力電池系統(tǒng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的精彩報(bào)告。

他指出，社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)的突破提出了剛性需求，現(xiàn)今動(dòng)力電池行業(yè)得到迅猛發(fā)展，中國(guó)在2016年超越日本成為全球動(dòng)力電池第一大生產(chǎn)制造國(guó)。但目前動(dòng)力電池性能亟需提升，提高電池能量密度是眾多待突破技術(shù)中的核心。目前最有效的解決策略是在電極材料和電解液領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

化工是一個(gè)從系統(tǒng)的角度來研究和解決問題的學(xué)科。動(dòng)力電池就是一個(gè)非常“大”而復(fù)雜的系統(tǒng)，從系統(tǒng)的宏觀角度更容易發(fā)現(xiàn)和解決動(dòng)力電池發(fā)展中遇到的瓶頸問題。張鎖江院士就動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)展中所遇到的機(jī)遇和挑戰(zhàn)從三個(gè)方面進(jìn)行了論述。首先從全球社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)和中國(guó)自身的特點(diǎn)就動(dòng)力電池發(fā)展的必要性進(jìn)行了論述，他指出發(fā)展動(dòng)力電池對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和發(fā)展智慧型能源網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。其次，提升動(dòng)力電池性能不僅需要提升電極材料、電解液和隔膜等關(guān)鍵材料的性質(zhì)，還要從系統(tǒng)工程的角度通過優(yōu)化來提升其兼容性和電芯的制造工藝。最后在對(duì)動(dòng)力電池未來發(fā)展的展望中，他指出未來動(dòng)力電池將從目前的液態(tài)鋰離子電池過渡到更加安全的凝膠型和固態(tài)電池，同時(shí)也需要從鋰資源的有限性來推進(jìn)其高效循環(huán)開發(fā)和利用。

以下為演講實(shí)錄，有部分整理：

動(dòng)力電池系統(tǒng)面臨著怎樣的機(jī)遇和挑戰(zhàn)呢？今天報(bào)告主要分成三個(gè)部分：第一部分講一下世界的大趨勢(shì)，分析世界的形勢(shì)和中國(guó)的政策；第二部分是分享一下我們自己做的工作；第三部分則是一些展望。

一、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

首先談?wù)勈澜绲拇筅厔?shì)。我們?nèi)缃裆硖?ldquo;地球村”，互聯(lián)網(wǎng)等媒介將全世界都連接在了一起。事實(shí)上，新材料在線®正是借著互聯(lián)網(wǎng)大時(shí)代的春風(fēng)發(fā)展起來的。當(dāng)前世界的主題是和平與發(fā)展，在座的每一家企業(yè)、每一位專家都是懷著和諧發(fā)展或共同發(fā)展的目的來參會(huì)的。當(dāng)代另一個(gè)明顯的重要特征：科技發(fā)展日新月異，比如一種材料會(huì)迅速被另一種材料所取代，我們講求科技創(chuàng)新，而因?yàn)榭萍紕?chuàng)新速度的加快，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)也加快了。我們屬于化工產(chǎn)業(yè)，材料也屬于化工范疇，但它從規(guī)劃到產(chǎn)業(yè)化的周期非常漫長(zhǎng)，已經(jīng)不適應(yīng)這個(gè)時(shí)代的發(fā)展要求了，亟待從過程工業(yè)的角度來優(yōu)化升級(jí)，也表明世界的大趨勢(shì)給產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界提出了更大的挑戰(zhàn)。

這個(gè)大挑戰(zhàn)反饋給科技創(chuàng)新，會(huì)帶來什么樣的趨勢(shì)呢？科技上的大趨勢(shì)交叉融合，要求綠色化、智能化、高值化。具體到重要研究方向，我認(rèn)為是新能源、新材料、生命健康和綠色環(huán)保。

談到能源，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)對(duì)此非常重視。在2014年6月13日的中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議上，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人指出要推動(dòng)能源的革命，包括消費(fèi)、供給側(cè)、技術(shù)和體制革命四個(gè)方面。而只有技術(shù)革命才能推動(dòng)供給、消費(fèi)和體制革命，所以能源技術(shù)革命在能源革命中起決定性作用，必須擺在能源發(fā)展全局的核心地位。黨中央、國(guó)務(wù)院也確定設(shè)立能源、信息等領(lǐng)域的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，這也進(jìn)一步證明了能源的重要性。

目前，我們國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)是富煤、少氣、缺油，迫切需要轉(zhuǎn)型。到2050年清潔能源將占據(jù)我國(guó)總能源的50%以上，因此使用清潔能源如水電、太陽能、風(fēng)能等，是國(guó)際大趨勢(shì)。總體上，能源結(jié)構(gòu)是要從高碳向低碳發(fā)展，新能源占比不斷增加，同時(shí)要把電能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

為什么要發(fā)展清潔能源呢？我們國(guó)家處在生態(tài)建設(shè)之中，十八屆三中全會(huì)提出了“五大建設(shè)”，其中就提到了“綠色化”。世界各國(guó)都非常重視風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋⑺姟⑸镔|(zhì)能等新能源的開和和利用，我們國(guó)家提出驅(qū)動(dòng)以新能源和可再生能源為主體的能源供應(yīng)體系盡早形成。新的能源必須構(gòu)建新的系統(tǒng)，大家看到這個(gè)新能源電力系統(tǒng)圖中包括風(fēng)能、太陽能，地?zé)崮堋⒊毕艿龋鼈円粋€(gè)共同的特點(diǎn)就是波動(dòng)性強(qiáng)，有波動(dòng)就必須要儲(chǔ)能，因此大規(guī)模的儲(chǔ)能是新能源電力系統(tǒng)是否能穩(wěn)定使用的核心技術(shù)之一。

電動(dòng)汽車將對(duì)世界能源格局的變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，目前全世界都在大力發(fā)展電動(dòng)汽車。2016年，我國(guó)電動(dòng)汽車銷量突破50萬輛，預(yù)計(jì)2020年的產(chǎn)量將達(dá)到200萬輛，產(chǎn)值超過6000億元。我國(guó)原則上不再核準(zhǔn)新建燃油汽車項(xiàng)目，并嚴(yán)格控制現(xiàn)有汽車企業(yè)擴(kuò)大傳統(tǒng)燃油車產(chǎn)能。國(guó)外方面，在G20漢堡峰會(huì)上，法國(guó)、德國(guó)、印度、挪威等國(guó)家明確表態(tài)將全民禁售燃油車，松下、三星、LG等知名公司著手大力發(fā)展電動(dòng)汽車電池市場(chǎng)，已開啟車用電池“大戰(zhàn)”。電動(dòng)汽車已不僅僅只是一輛車，而是一個(gè)新的機(jī)遇。它將能極大地解決環(huán)境污染問題、能源危機(jī)、同別國(guó)的爭(zhēng)端問題，同時(shí)促進(jìn)智能車的發(fā)展，并通過車聯(lián)網(wǎng)讓“地球村”聯(lián)系得更緊密。

電動(dòng)汽車將通過智能電網(wǎng)與新能源發(fā)電共同發(fā)展。電池儲(chǔ)能是一個(gè)大的系統(tǒng)，在很多領(lǐng)域上都能應(yīng)用，比如3C產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、智能穿戴、航空航天和規(guī)模儲(chǔ)能等。每一個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵氐囊蠖疾灰粯樱热?C產(chǎn)品需要的是小型化、高能量的電池，而電動(dòng)汽車則要求高能量、高功率、長(zhǎng)壽命的電池。

實(shí)際上，電池儲(chǔ)能是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，從國(guó)家的角度來講要建立貫通研發(fā)的模式，關(guān)鍵技術(shù)主要靠科學(xué)院、科研機(jī)構(gòu)來解決，當(dāng)然也包括一些企業(yè)的研發(fā)中心。那企業(yè)主要做什么呢？企業(yè)要做關(guān)鍵示范，然后再推廣。目前，從材料、器件到系統(tǒng)這樣一個(gè)貫通的研發(fā)模式已經(jīng)存在，只是仍然比較松散。大家都說科技成果轉(zhuǎn)化力不夠，事實(shí)上是從ABC到XYZ的鏈條沒有做好，這里面包含了一個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)模式，包括從分子水平分析、納微成像到中試、工業(yè)示范、實(shí)況產(chǎn)品檢驗(yàn)等，主要的挑戰(zhàn)是動(dòng)力電池、規(guī)模儲(chǔ)能、特種電池的放大效應(yīng)，需要科研和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合起來，構(gòu)建一個(gè)完整的、先進(jìn)的研發(fā)大平臺(tái)。

關(guān)于鋰電池的研究，大視野下的納微原位解析是非常重要的，要建立跨尺度的模擬仿真技術(shù)，特別是納米級(jí)別的模型尤為重要，但這一條研究鏈并沒有建立起來。另外，智能大數(shù)據(jù)系統(tǒng)急需建立，剛才新材料在線®和尋材問料也提出來了，這個(gè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)要服務(wù)于成千上萬家的企業(yè)，成為科研單位、企業(yè)和用戶之間的橋梁和紐帶。除此之外，要建立共享的理念。共享是沒有邊界的，比如北京的中關(guān)村、懷柔、上海、深圳、廣州和香港等地都可以共享人才、共享平臺(tái)、共享資源、共享成果，這個(gè)理念非常重要。

那具體在運(yùn)作模式上是如何實(shí)現(xiàn)的呢？大家來自五湖四海，股份制是最好的，新的運(yùn)作模式就是共同創(chuàng)造、共同分享、引領(lǐng)未來。如果我們要建一個(gè)國(guó)家級(jí)的大平臺(tái)，一定要做到“三總”（總指揮、總工程師、總保障師），分工協(xié)作。總工僅僅負(fù)責(zé)技術(shù)方面的事情，資金或者其它事務(wù)讓總指揮來做，另外有總保障師做后勤保障。

我們正在面臨著一個(gè)歷史性的重大機(jī)遇，中國(guó)2016年已經(jīng)超越日本成為全球電池儲(chǔ)能第一大國(guó)，而且動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2016年銷量達(dá)到30GWh。科研方面，全釩液流電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，鋰液流電池進(jìn)入示范階段。中國(guó)強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)電池儲(chǔ)能技術(shù)突破提出了剛性要求。

二、研究進(jìn)展

這部分主要講講我們目前的研究進(jìn)展，針對(duì)動(dòng)力電池、超級(jí)電容和儲(chǔ)能電池。

先講動(dòng)力電池。動(dòng)力電池目前主要存在四方面問題：一、續(xù)航里程短、成本高；二、充電速度慢；三、安全性差，易燃易爆；四、環(huán)境適應(yīng)性差。在全世界范圍來看，這些問題都是普遍存在的，其中續(xù)航里程短可以歸結(jié)為能量密度低。怎樣讓動(dòng)力電池既便宜又擁有高能量密度呢？這是一個(gè)很難解決的問題。我們最近與北京協(xié)同創(chuàng)新研究院、美國(guó)康奈爾大學(xué)都有在研討這個(gè)問題。

能量密度要提高到300Wh/kg，電極材料和電解液的創(chuàng)新是根本，這也是一個(gè)系統(tǒng)的問題。電極材料方面，我們要從磷酸鐵鋰/石墨體系過渡到三元/石墨體系，未來朝向高鎳三元/硅碳體系發(fā)展。電解液則是從常規(guī)的4.2V電解液往高壓電解液（4.8-5.0V）發(fā)展。總的來說，提高動(dòng)力電池性能，需要解決高容量電極材料問題、高壓高安全電解液?jiǎn)栴}、電芯及電池組工藝問題。我們這些年組建了從材料到系統(tǒng)的協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，研究電極材料、新型電解液，并和企業(yè)合作進(jìn)行電池組裝測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

責(zé)任編輯：lixin

免責(zé)聲明：本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，與本站無關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本站證實(shí)，對(duì)本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實(shí)性、完整性、及時(shí)性本站不作任何保證或承諾，請(qǐng)讀者僅作參考，并請(qǐng)自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。

我要收藏

個(gè)贊