黃學(xué)杰：創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)鋰離子動(dòng)力電池可持續(xù)發(fā)展
5月22日，CIBF2018 第十三屆中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開(kāi)幕。中科院物理所/大會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)黃學(xué)杰在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
很榮幸再次站在CIBF報(bào)告的位置上，非常感謝大會(huì)的安排，受劉博士的邀請(qǐng)，我很高興有機(jī)會(huì)和大家分享鋰離子電池方面的工作。
我本人來(lái)自中科院物理所，固態(tài)鋰離學(xué)課題組，在這方面有40年的工作經(jīng)歷，我本人88年開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)組，進(jìn)入電池的研究領(lǐng)域。鋰離子電池快速獲得發(fā)展，我想我們應(yīng)該非常幸運(yùn)，能夠從基礎(chǔ)研究一步步走向產(chǎn)業(yè)化，不僅是在3C產(chǎn)品，而且在儲(chǔ)能的產(chǎn)品，在電動(dòng)汽車(chē)獲得快速的發(fā)展。
政策的影響力非常大，因?yàn)樵绯肯嚓P(guān)專家已經(jīng)講到政策。政策一方面讓產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展起來(lái)，今天的展會(huì)如此之宏大，有一千多人來(lái)參加這個(gè)會(huì)議。從另外一個(gè)角度，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展確實(shí)是要求電池性能更好，價(jià)格更便宜。過(guò)去為了提高電池的比能量，很多人是照著這個(gè)路線圖在走，因?yàn)榍懊嬗幸粋€(gè)補(bǔ)貼，有“胡蘿卜”牽著，后面把大家基本上都攆到一條路上去了，都攆到高鎳的三元材料加硅碳材料，把大家攆到一條道上，日子也不是太好過(guò)。經(jīng)過(guò)大家的努力，行業(yè)在快速發(fā)展。今天咱們這么多人來(lái)，說(shuō)明新能源汽車(chē)在發(fā)展，比能量也在提升。現(xiàn)在有兩個(gè)補(bǔ)貼的要求，一個(gè)是比能量的要求，當(dāng)然還有一個(gè)是測(cè)性能的要求。
這里面真正的挑戰(zhàn)，雖然大家還是和嘉年華一樣的，但是我們知道問(wèn)題在哪兒，電池的價(jià)格快速下降，原材料的成本在往上走，無(wú)論是鋰電的價(jià)格保持高位，還是鈷和鎳、石墨的價(jià)格增長(zhǎng)，都會(huì)給企業(yè)巨大的壓力。一些企業(yè)銷(xiāo)售的電池，前幾年比較粗放，現(xiàn)在都到了要還債的時(shí)候，這塊的壓力不小。補(bǔ)貼之后帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)鏈上的資金緊張，我想大家也能夠感受到。所以說(shuō)痛苦并快樂(lè)著，這時(shí)候有什么樣的對(duì)策？新能源汽車(chē)必然要往前走，這個(gè)產(chǎn)業(yè)肯定會(huì)往前發(fā)展，現(xiàn)在到了轉(zhuǎn)折之年，2018年、2019年是轉(zhuǎn)折之年。在這種轉(zhuǎn)折的時(shí)候，越是要守住安全和可靠性的底線，一個(gè)星期起幾場(chǎng)火燒死幾個(gè)人，這種事不能老干，這肯定會(huì)有問(wèn)題。可靠性，原來(lái)說(shuō)是8年十幾萬(wàn)公里，現(xiàn)在估計(jì)人家接受不了，人家要求十年幾十萬(wàn)公里，我估計(jì)是一個(gè)基本的要求。做不到就去換電池。我還是建議安全第一，壽命第二，第二之后的才是低成本，才是去提升比能量。產(chǎn)能過(guò)剩，整個(gè)行業(yè)轉(zhuǎn)折的時(shí)候，產(chǎn)能的利用率不到1/3，這時(shí)候更要反周期的增加研發(fā)的投入，增加先進(jìn)產(chǎn)能的建設(shè)，果斷的去淘汰落后的產(chǎn)能。我想在這里面無(wú)疑是創(chuàng)新非常重要。我簡(jiǎn)單的匯報(bào)一下我們對(duì)創(chuàng)新的理解。
材料方面有沒(méi)有創(chuàng)新？正極、負(fù)極、隔膜、電解液，鋰電池有太多的材料選擇，無(wú)論是正極還是負(fù)極，萬(wàn)幸的是鋰電池有這么多材料的選擇，如果都像鉛酸、鎳鉛一樣只有一種正極、一種負(fù)極，我估計(jì)新的企業(yè)的機(jī)會(huì)就會(huì)更少了。現(xiàn)在還在快速迭代往前發(fā)展，感謝鋰離子電池材料體系如此之豐富，也給做研究的人提供了很好的題材。SCI上面就是一萬(wàn)大幾千篇的論文，培養(yǎng)了不少教授、博士，我想這是一個(gè)重要的事情。這么多的材料，奔著高能量走到高鎳三元，我們?cè)谒伎歼@里面有沒(méi)有其他的路徑。它的熱導(dǎo)致鈷鎳漲價(jià)，是否有別的選擇？三元，協(xié)同效應(yīng)，讓它有高的比能力，過(guò)得去的循環(huán)性能。還有鎳、鈷、鋁，提高比能量的路徑有兩條，能量等于它的工作電壓乘以它的容量。等固態(tài)電解質(zhì)出來(lái)，我估計(jì)會(huì)比較少。再等一等，我們能不能用氟化的電解液。其實(shí)更應(yīng)該考慮，在現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈體系中，用現(xiàn)在的碳酸脂的電解液怎么改進(jìn)它的性能？這種電解液里面，把材料做好了，把電極做好了，解決55度的高溫循環(huán)問(wèn)題，當(dāng)它的循環(huán)性能超過(guò)三元，在同樣的碳酸脂體系里面，你有什么理由不考慮？那時(shí)候的三元材料有可能變出二元，我們一直想減鈷，我想這是一種可能性。
大家都在做硅碳材料，因?yàn)楣韬弯囆纬珊辖穑斜容^高的容量，現(xiàn)在用400-450，現(xiàn)在報(bào)800-1000也有的是，這里面有沒(méi)有其他的選擇？取代石墨的努力，1996年就有公司報(bào)告，但是NTT的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室看到做氧化錫的情況，20多年前的時(shí)候我們就搞清楚這里面基本的道理，你把它顆粒做得越小，循環(huán)性能越好，這里面的機(jī)制是取代反應(yīng)和合金化的反應(yīng)，可以看出來(lái)，這里面很清楚的形成了納米合金，索尼試圖把它產(chǎn)業(yè)化，由于種種原因停下來(lái)了，這個(gè)材料有很好的優(yōu)點(diǎn)，可以快充，比硅材料有更好的循環(huán)性能。
前兩年我們把它和石墨的材料進(jìn)行負(fù)荷，可以看到當(dāng)它的尺寸足夠小的時(shí)候，這個(gè)材料展示出良好的穩(wěn)定性，特別是低溫下面，零下20度，石墨還能不能充電，不能充電了，因?yàn)槲覀兛吹接疫叺膱D，就是石墨到零下20度的時(shí)候，你給它做充放的時(shí)候容量很低。如果是錫的材料，它的復(fù)合材料可以滿足低溫充電的要求。近期的進(jìn)步，你可以做成很好的材料。你不要做成一個(gè)空殼，應(yīng)該做成實(shí)心的殼，充電的時(shí)候能夠膨脹，放電的時(shí)候能夠收縮，幾十周以后殼還在，可以維持很好的效率，有良好的性能。快充在今天也是很重要的話題。
用合金材料會(huì)碰到一個(gè)問(wèn)題，首次容量損失比較大，上面的小紅點(diǎn)是第一次，那么多的鋰充進(jìn)去，到后面才能把70%的鋰釋放出來(lái)，這里面有沒(méi)有補(bǔ)償?shù)目赡苄裕瑩p失這么多鋰怎么辦？這里面可以用一些簡(jiǎn)單的辦法去補(bǔ)鋰，比如硫化鋰，做鋰電池的就知道，容量很高，少量的硫化鋰，比其他的都要高很多。把這種材料做起來(lái)以后做成碳的復(fù)合材料，把它加一點(diǎn)碳就有活性，大概有1000多毫安時(shí)每克的容量。把這種材料涂到電極上面，這邊是拿磷酸鐵鋰做例子，第一步拿來(lái)補(bǔ)償，石墨10%的容量損失。大家說(shuō)我們不關(guān)心石墨，我們現(xiàn)在做硅碳，硅碳的情況怎么樣？石墨的電池剛才講了，10%多給你補(bǔ)回來(lái)了，換成硅碳也可以這樣做，你算好了，把正負(fù)極的比例，活性的容量的比例設(shè)成1：1，這種情況下，你加上合適的硫化鋰，如果沒(méi)有補(bǔ)鋰的材料，我們知道硅碳的負(fù)極一次、一次容量損失，會(huì)讓你的電池容量快速下降，但是加了以后，200周，幾乎看不到變化，當(dāng)然還有其他的好處。時(shí)間關(guān)系不細(xì)講。
這些問(wèn)題是可以解決的。在高倍率下也有更多的性能。
材料在進(jìn)步，大家在想辦法，電池結(jié)構(gòu)還有沒(méi)有創(chuàng)新？大家知道小圓柱的也在跑，方型、鋁殼也在做，軟包的大家也在做，也有一些創(chuàng)新。大家嫌18650太小，把它變長(zhǎng)、變粗，變成21700。各有各的特點(diǎn)，車(chē)子做了不少。18650做的，軟包做的，這個(gè)更緊密一點(diǎn)，方殼電池做起來(lái)的電池包。國(guó)家做了一些標(biāo)準(zhǔn)老推不下去，是因?yàn)槌叽缣嗔耍氚殉叽鐪p下來(lái)，各有各的說(shuō)法。很多年前我們想，除了在北京做材料研究，我們?cè)谶@附近幾十公里的南沙在做工藝和裝備的平臺(tái)，想改變電池的設(shè)計(jì)。這里面做的事情可以給大家匯報(bào)一下。方殼電池，因?yàn)閷?duì)動(dòng)力電池來(lái)講，方殼電池還是占最大的比例，不管其他的同行有多少不同的意見(jiàn)，我個(gè)人仍然認(rèn)為方形鋁殼的電池具有最強(qiáng)未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)力，我想在液體的鋰離子電池這段，將來(lái)到固體再講固體的事情。
大家普遍喜歡卷繞結(jié)構(gòu)，國(guó)外比較多的是兩頭傳件的結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)比較多的是一頭的雙接餌的結(jié)構(gòu)，純接餌的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流和導(dǎo)熱效果會(huì)更好，制作的過(guò)程更復(fù)雜。國(guó)內(nèi)多采用一頭的兩個(gè)窄接餌的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流、導(dǎo)熱會(huì)差很多。不信可以看看它的電池，拿紅外的相機(jī)拍一下，那個(gè)地方是最大的。看到這些問(wèn)題，就想到創(chuàng)新，我們推疊片的結(jié)構(gòu)，為什么推疊片結(jié)構(gòu)？因?yàn)榄h(huán)繞在兩側(cè)還是有硬傷，可靠性在長(zhǎng)期壽命這邊還是有缺陷。疊片大家都知道，在設(shè)計(jì)上要考慮，正極電導(dǎo)比較低，就要采取寬的接餌，把它整個(gè)跟客體焊成一體，解決它的導(dǎo)流、快速導(dǎo)熱。負(fù)極是因?yàn)榧兊碾妼?dǎo)本來(lái)就很高，涂上石墨，電導(dǎo)更高，半接餌就能解決問(wèn)題。這樣做下來(lái)，你工作的電池就找不到熱點(diǎn)，就接餌那個(gè)地方不再是一個(gè)熱點(diǎn)。還有一個(gè)好處，熱可以快速的導(dǎo)出來(lái)，導(dǎo)出來(lái)之后可以做非常致密的Pack結(jié)構(gòu)，這種Pack結(jié)構(gòu)的好處是熱靠金屬給它導(dǎo)出來(lái)。咱們學(xué)過(guò)初中物理就知道，氣體導(dǎo)熱是最慢的，軟包拿小風(fēng)扇搖，不會(huì)很快導(dǎo)熱，液體的稍微好一點(diǎn)。但是最有效的是金屬固體的導(dǎo)熱。把它做成有效的設(shè)計(jì)，就做成致密的Pack結(jié)構(gòu)，就可以和它比能量密度，現(xiàn)在在很多應(yīng)用的時(shí)候，這對(duì)很多車(chē)輛無(wú)疑是重要的。但是三元和磷酸鐵鋰還是咬著。大家都講三元，所以我每次在會(huì)上都要講幾句話。在比能量上，Pack的水平上，兩者基本上不分高低，不信就看公告。體積能量密度上，我終于找到了一個(gè)機(jī)會(huì)，我就跟軟包的22WH三體比Pack的密度，今天拿90AH的電池比，比它高40%多。所以說(shuō)密度上你是可以贏過(guò)它的，所以做鐵鋰的人還可以高一點(diǎn)。
隨著負(fù)極技術(shù)的進(jìn)步，今天商品化鐵鋰的單體是180，整車(chē)的電池包是150，我想很快會(huì)奔著160、170去，還有進(jìn)步的空間。這是講的材料技術(shù)的進(jìn)步。制造這塊也有進(jìn)步的機(jī)會(huì)。
雖然我還沒(méi)有看展會(huì)，買(mǎi)各種設(shè)備的都有了，今天怎么突破，最后做出電池，這里面有沒(méi)有可變的空間？我們也在思考這種問(wèn)題。很多人不愿意做疊片，主要是覺(jué)得卷繞容易，切片很麻煩，怎么解決切片問(wèn)題？差不多5年前就在思考一個(gè)辦法，機(jī)械式的切片，磨損很厲害，噪音很大，塵土飛揚(yáng)，這個(gè)問(wèn)題怎么解決？工研院開(kāi)發(fā)了激光的飛切技術(shù)，激光是一束光，做成需要切割工件的形狀。這樣做下來(lái)的結(jié)果，你可以快速的運(yùn)轉(zhuǎn)，你不需要停頓的情況下，一片、一片切下來(lái)，所以現(xiàn)在是一分鐘切200片，而且沒(méi)有噪音。毛刺非常少，而且不需要每切10萬(wàn)片就修一次毛刺。這個(gè)技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，運(yùn)作得非常之好。
焊接，這是另外一個(gè)激光技術(shù)。過(guò)去激光頭是聚焦在焊點(diǎn)的位置，現(xiàn)在要讓它擺動(dòng)起來(lái)，過(guò)去聚焦到一個(gè)位置，你稍微有點(diǎn)偏，你的焊接效果就會(huì)比較差。擺動(dòng)起來(lái)不僅僅讓它有一定偏差還可以焊接好，更多的還是有擾動(dòng)效應(yīng)。我后面會(huì)講這個(gè)結(jié)果。能夠減少氣孔。這種焊接的技術(shù)用到全自動(dòng)的焊接上，它用到這種設(shè)備上面就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的質(zhì)量，更少的氣孔。這是拿CT做的。同樣在工研院的平臺(tái)上，我們可以看到有這種精密的分析設(shè)備，可以分析到焊接的效果，也可以分析到電池的結(jié)構(gòu)，在北京有更多的分析設(shè)備，現(xiàn)在開(kāi)放給行業(yè)服務(wù)。歡迎大家一起努力，我們能夠把電池做得最好。
一定是安全第一，壽命第二，其他的東西往后擺。這是我想和大家分享的內(nèi)容。謝謝大家！
提問(wèn)：關(guān)于硫化加鋰，鋰放上去上面還是有一部分硫，對(duì)你的自放電有沒(méi)有影響？
黃學(xué)杰：碳酸脂里面硫的溶解度很低，第一周過(guò)去以后，硫留在正極里面了。
提問(wèn)：你能不能評(píng)價(jià)一下后電極，現(xiàn)在100個(gè)微米到150微米以上，你一直談怎么增加容量，現(xiàn)在我把電極做厚一點(diǎn)？
黃學(xué)杰：這有兩個(gè)條件，一是倍率和低溫性能能滿足應(yīng)用的要求。二是你這個(gè)極片厚了以后還有足夠好的質(zhì)量。三是做卷繞的人不能做厚電極，因?yàn)樽龊耠姌O一定是疊片。
提問(wèn)：您的激光切割，以前公司的激光切割有很大的問(wèn)題，激光把底下的金屬片熔掉，就會(huì)在岔口上有融的小珠子。
黃學(xué)杰：這是過(guò)去的激光，波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，頻率比較低。現(xiàn)在波長(zhǎng)越短、頻率越高，熱效應(yīng)基本上就不明顯了。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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