中科院黃學(xué)杰教授：實例告訴我們中國的電池也可以做的很好

2017-11-24 17:37:57 能見　點擊量：評論 (0)

11月23日2017中國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展峰會在北京舉行。本屆峰會由中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟、中國超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟支持，廣東省充電設(shè)施協(xié)會和振威展覽股份主辦。　　中科院工業(yè)技術(shù)研究院專家黃學(xué)杰教授出席，并就

11月23日“2017中國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展峰會”在北京舉行。本屆峰會由中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟、中國超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟支持，廣東省充電設(shè)施協(xié)會和振威展覽股份主辦。

　　中科院工業(yè)技術(shù)研究院專家黃學(xué)杰教授出席，并就高性能儲能電池技術(shù)研究方面作精彩演講。

　　以下為發(fā)言實錄：

　　黃學(xué)杰：今年已經(jīng)是我做鋰電池研究的第三十個年頭，因為電池是有很多種，剛才講的儲能也有很多種，電化儲能是其中的一種，鋰離子電池又是電化儲能的一種，不同的鋰離子應(yīng)該有不同的正極和負極，今天重點講一講磷酸鐵鋰。

　　磷酸鐵鋰的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)超過二十年了，二十年前磷酸鐵鋰的發(fā)明人Michel教授現(xiàn)在仍然在工作。磷酸鐵鋰的包碳專利是1999年在夏威夷的電化會議上公布的，接著創(chuàng)辦了磷酸鐵鋰的第一個公司，把磷酸鐵鋰推向了產(chǎn)業(yè)化，確實是為行業(yè)做出了基本的貢獻。

　　為什么要做磷酸鐵鋰？這是全球有名的中溫電池的公司，現(xiàn)在最高端的就是ACL，現(xiàn)在特斯拉也是用ACL，最長壽命的電池就是磷酸鐵鋰，真正的特點是把它放在高溫的情況下，或者一整年的時間擱置，它的內(nèi)組都不會太變化，所以這個是屬于功率型的核件。石景山電廠為什么要用這種磷酸鐵鋰的功率型電池？因為這是聯(lián)合調(diào)頻，所以要求功率特性很好。

　　十年前是在120W/時/公斤，特性非常之好。中國的電池水平怎么樣？這是2008年法國的電力公司EDF在全球評估電池，包括中國的6家，壽命最長的是40W/時的電池，100%的SOC，1小時充1小時放，這個做了多少次呢？超過了6000次，還有80%，這樣就是在45度也有不錯的表現(xiàn)，如果是35-45度的話很快就沒有了，不要指望4000-5000次的情況。

　　有了這樣的電池要干什么呢？首先就是電動車，都說中國電池的一致性不好，其實是因為沒有做好。法國在招兩個標：一個標是巴黎地區(qū)的固態(tài)電池的標，剛開始是2000臺，因為有些私人購買，最后是做了2280臺，選來選去，到了2010年的時候選定了蘇州新城。這個車最長的已經(jīng)跑了7年，跑了20萬公里以上。每次充電就是1000多公里，相當于跑了3000次。這是最長的是滿7年的，普遍的容量是83%-90%，沒有任何一臺低于83%，所以這就證明了中國的電池好好做的話也可以做得很好。

　　電池做得好接著怎么辦？還有很多裝備是進口的，現(xiàn)在要用國產(chǎn)的裝備產(chǎn)業(yè)才能做起來，所以鐘秘書長邀請我，我很高興，廣東的秘書長我一定要支持，因為中科院在廣州就建立了一個動力電池制造技術(shù)的創(chuàng)新基地，因為過去我們的材料要從國外買，后來材料國產(chǎn)化了，中國的設(shè)備也開始走到歐洲去了，就在廣州的南沙國家級高新區(qū)建了一個動力電池工藝技術(shù)的服務(wù)平臺，物理所是材料和電池技術(shù)，沈陽自動化所是做機器人的研究所，還有一些軟件所。工業(yè)化設(shè)備就在這里被開發(fā)出來，然后又被提升，這是幾十米的設(shè)備，不是實驗室里面擺在桌子上的設(shè)備。

　　這些設(shè)備不僅是滿足了自己產(chǎn)業(yè)的需求，中國有了電池大型生產(chǎn)設(shè)備，進入了日本的松下公司，也就是說我們的設(shè)備已經(jīng)開始反向進入人家的企業(yè)。接著我們推動了純綠色的制造工藝，針對這樣的電池，過去主要是要用一種LNP，也是比較復(fù)雜的，這種有機溶劑對人體有比較大的危害，不僅是貴，關(guān)鍵是工廠要投資到回收系統(tǒng)，還有工廠配合去做這種集成處理。歐洲地區(qū)是不允許這樣的溶劑用于工業(yè)生產(chǎn)，所以這也就是在歐洲到現(xiàn)在為止為什么沒有一個規(guī)模的電池廠，不是說歐洲人不會干，因為法規(guī)上規(guī)定的，某些污染的、有毒的工業(yè)溶劑不可以大規(guī)模地用于工業(yè)生產(chǎn)，今天這類企業(yè)解決了這個問題，德國本土的也開始解決了這種問題，所以德國的第一個生產(chǎn)工廠先也在建設(shè)。

　　這是高精度的機器噴頭，不僅是在中國的企業(yè)，日資的企業(yè)已經(jīng)開始做起來了。今天電池最怕什么？短路是因為正負極片是帶著能量的，靠的是十幾個微米的隔膜，手機可以達到8微米，這樣機械切割的難度越來越大，第一臺激光切片機在被開發(fā)出來，不僅是推廣到企業(yè)，而且支持了創(chuàng)業(yè)的公司，然后從行業(yè)來提供。無論是手機電池或者汽車電池，拆開來看正負極都在一頭，然后把電流引出來，最大的問題就是流產(chǎn)和熱產(chǎn)都不增容，新的結(jié)構(gòu)開發(fā)出來，正極就是鋁箔，整個和外科一起構(gòu)成了導(dǎo)電體，這樣正極就會引出來。這樣做出來的電池在大電流下工作，為什么要工廠重用？因為電池需要一起出力，接著就是自動化的設(shè)備在企業(yè)推廣開來示范運行。

　　現(xiàn)在江西南昌就有了第一條完全依賴中國設(shè)備的新型結(jié)構(gòu)大電池，還有非接觸式生產(chǎn)，沒有一只手可以去摸這個電池，所以今天比能量得到了進一步的提升。接下來是兩個方向開始得到應(yīng)用：一個方向是電動車輛上，就是加州的波特威爾市，這種公交車的大客車在示范運行，也是員工通行的班車。一個車子上的電池就是450千瓦時，要比國內(nèi)的大一些，國內(nèi)現(xiàn)在由于補貼政策的原因，一般的公交車就是100多度，不超過200千瓦時，因為它的要求里程會更長一些。歐洲的儲能應(yīng)用為什么要算磷酸鐵鋰？現(xiàn)在和三元電池比同樣尺寸的集裝箱立柜，同樣的長寬高能夠多放40%的能量，正在歐盟的兩個方向推廣：一個方向是集裝箱用于固定式的儲能，另一個是用在船上面，可以直接調(diào)過去開這個船，沒有的時候到了岸邊把集裝箱吊起來，換成一個充滿電的集裝箱上去，這個是在推廣當中。

　　新的技術(shù)在不斷進步，即使是磷酸鐵鋰能量可以作為突破，200瓦/時/公斤，新的電池會更高。這個其中有一個替代，就是負極的石墨，但是有一個問題，不能在零下幾十度的時候充電，不能在低溫條件下充電，快速充電會受到影響。實際上對石墨的替代我們是二十年前就開始了，所以這篇文章是我在1998年發(fā)布的第一期。這就解釋了一個機理，但是日本人提出氧化物能夠儲藏很多的鋰，我去了以后就知道了這個消息，拿回來以后看到可以合金化就很好辦，我們就按照程序來做。到了去年我們解決了一個問題，這一類的合金能夠快速充電，因為借助于這種納米的技術(shù)可以把它滿足低溫下面的充電，這個是指室溫下面的快速充電，低溫也有很好的充電性能。

　　大家都在講硅碳，硅碳這個概念是哪一年提出的呢？是我們1997年的專利，所以正好也是二十年，專利都過期了，但是這件事情現(xiàn)在還在做。當時發(fā)現(xiàn)納米硅能夠拿來跟鋰合金，碳加進去壽命就是提高，所以提出了硅碳的概念。二十年就在挑戰(zhàn)一個問題，因為硅碳有很高的容量，但是硅的體積變化非常之大，儲存進去就膨脹了，拿走就脫落了，體積就收縮了，所以壽命就沒有了。斗爭了二十年以后，我們突然發(fā)現(xiàn)硅碳不能解決問題，表面上解決了材料的不脫落，實際上它的內(nèi)部繼續(xù)破裂。

　　到了2011年，我們把這個問題解決了，今天在工業(yè)上開始走起來了，硅碳負極碰到了問題以后不斷破裂，仍然達不到100%的效率，所以電池的壽命不能保障，今天重溫也是從硅碳走向無碳合金負極，所以現(xiàn)在是快速地發(fā)展。有了這些發(fā)展，我們可以看到磷酸鐵鋰電池是在快速提升，接著會超越今天的水平。比如電池包的比能量，實事求是地講，現(xiàn)在即使是特斯拉，國內(nèi)最高的比例是150，轎車上會有更高的要求。

　　我們對轎車有清晰的路線圖，要到2020年的時候解決300瓦/時/公斤，就是一半的價格，這個事情已經(jīng)很明確了，所以針對乘用車來講硅碳會變成合金，過去我們想的從硅到硅碳都是演變的過程，我們一點一點地努力可以做到，努力到一定時候就會碰到障礙。高裂會直接走向高壓，硅碳就會走向無碳合金，整個這件事情就會走起來。未來會為電動汽車的乘用車行駛里程倍增，今天電池包的比能量要從2018年達到200，工信部的路線圖是到2020年達到260，也就是說里程會增加1倍，電池的每瓦時的價格會下降50%。這些都會是現(xiàn)實，因為補貼馬上就沒有了，沒有補貼的時候什么電池才能讓車輛進步？新的技術(shù)是在快速走出實驗室，無論是儲能這條線還是電動汽車這條線都會在未來的幾年有這種演變。

　　科研上也得到了極大的支持，現(xiàn)在正在懷柔建一個北京清潔能源材料測試診斷與研發(fā)平臺，其中5個億的投入一多半都是鋰電池的研發(fā)上面，而且這個測試平臺是對全行業(yè)開放的，歡迎大家一起參與。這個項目有屋頂上的太陽能板，還有儲能柜的項目，是為前行業(yè)提供服務(wù)五。現(xiàn)在已經(jīng)是作為科研專項支持了一部分，正在做全行業(yè)的分析。蔡書記覺得做得不錯，北京市在科創(chuàng)中心又做了一塊。物理所現(xiàn)在的平臺都是對全社會開放的，包括整車企業(yè)、電池企業(yè)、材料企業(yè)、研究單位，有些現(xiàn)在已經(jīng)開始使用這些設(shè)備來做這種分子水平的分析，甚至是原子水平的分析，懷柔的基地明年下半年開始投入使用以后會有更多的機會和大家去做。

　　嘉賓：剛才您提到的電池是MCM還是MCA？

　　黃學(xué)杰：MCM，很多人有一個誤區(qū)，都是比瓦/時/公斤，但是集裝箱儲能比的是瓦/時/升，所以對磷酸鐵鋰的電池包來講，它的體積密度已經(jīng)高于軟包的電池包，因為軟包要做很多塑料的支架和冷卻，三元材料要裝6個平臺，這些因素都加進去，最后反而是磷酸鐵鋰在儲能上體積更小、密度更高。

　　嘉賓：您比較關(guān)注磷酸鐵鋰電池，碳酸鋰電池方面有沒有什么看法？因為我也是在儲能行業(yè)，歐美地區(qū)現(xiàn)在還是韓國和日本的鋰電池受到歐美用戶的認可，您認為中國的鋰電池目前有哪些地方值得改進？中國鋰電池大概什么時候可以超越日韓電池在全球電池行業(yè)的形象？

　　黃學(xué)杰：過去日韓進入市場早一些，但也不完全是這樣。美國超過20兆瓦時的電站有134個兆瓦時就是磷酸鐵鋰電池，儲能電池確實是中國企業(yè)走出去得晚了一些，但是國家近幾年對新能源客車的支持，歐美主要跑的都是中國的公交車，不僅僅是比亞迪、宇通、中通，甚至在加州還有自己規(guī)模的工廠。講到和日韓的關(guān)系，這次歐盟基本上傾向于中國的政策，公交車方面排除三元電池。因為中國是從去年12月份決定采用磷酸鐵鋰電池，所以歐美現(xiàn)在也是在儲能領(lǐng)域招標當中磷酸鐵鋰電池勝出，三元電池淘汰。英美也有更高的單向能量，還有2倍的壽命，所以這個方面趨勢確實已經(jīng)比較明顯了儲能和商用方面是磷酸鐵鋰組隊，碳酸鋰的特點就是更長的壽命，更快速的充電，比如美國有些調(diào)頻電站。按照目前的情況來看，碳酸鋰電池比正常的磷酸鐵鋰電池要低50%，也就是它的一半，價格是它的3倍以上，所以從第一次投資的角度壓力就大了一些。

　　嘉賓：您如何看待釩液電池？

　　黃學(xué)杰：這是一個品種，最后日常會做出選擇。

　　嘉賓：很多廠家和我講儲能電池不能帶電并行，比如已經(jīng)有50安/時運行，但是想帶電的時候并聯(lián)上去，很多人說這個做不到，不知道從技術(shù)的角度可不可行？

　　黃學(xué)杰：確實是會有問題，如果電池系統(tǒng)運行到了50%SOC，接著把一個滿電的并上去，如果直接并上去是不行的，意味著處于一個準短路的狀態(tài)，但是如果有這種限流就沒有問題了，沒有限流直接并聯(lián)是不可以的。技術(shù)的角度是可以，但是要經(jīng)過限流的變化。因為兩個的電壓差得非常大，等于是滿電的電池處在一個準短路狀態(tài)，虧電的電池是超負荷充電，這是不允許的，只有限流才可以。技術(shù)上可以解決，但是不能直接掛上去，否則兩個電池都毀了。

　　嘉賓：關(guān)于大型儲能磷酸鐵鋰的能量密度是比較大的，小型儲能當中磷酸鐵鋰電池是否還有這樣的優(yōu)勢？

　　黃學(xué)杰：去年歐美是三元電池更多一些，不是因為三元電池的其他因素，而是因為價格便宜，每個瓦時的價格更低，鐵鋰的特點是壽命更長，沒有人關(guān)心壽命更長，大家只關(guān)心投資是不是更便宜。今年的情況發(fā)生了變化，價格從十幾萬漲到了四十幾萬，現(xiàn)在成本已經(jīng)比較接近了，磷酸鐵是去年的3.8萬元降到現(xiàn)在的不到2萬元，明年還會繼續(xù)下降，所以反過來三元電池每瓦時的價格高于磷酸鐵鋰的電池，市場上的選擇就會更清楚一些。我們市場的選擇并不完全是看電池性能，主要是看價格，價格起很大的作用。

　　嘉賓：未來互用儲能方面會不會容量做得更大？

　　黃學(xué)杰：原則上是單體的電池越大越容易做到一致性，無論是單體電池還是成本落地可靠性都更高，這個對設(shè)備會有更高的要求。為什么大家喜歡用小圓柱？因為自動化的生產(chǎn)線是索尼提出來的，已經(jīng)是二十六年了，生產(chǎn)線很成熟，大電池的生產(chǎn)線是這幾年才開始成熟起來，這個趨勢到2020年之前會反轉(zhuǎn)。

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