是什么設(shè)計，讓鋰電池變得安全可靠？
2016年創(chuàng)造性地提出了用不燃燒的固態(tài)電池，替代可燃的電解液。
是什么技術(shù)，讓中國電池不受資源制約？
鈉離子電池的技術(shù)，將有望成為國家電池產(chǎn)業(yè)，戰(zhàn)略性地支撐的力量。
又是什么材料，讓中國鋰電領(lǐng)跑全球？
中國可以在這個領(lǐng)域，超越西方國家，這句話放到今天來回想，簡直就像開了天眼一樣。
《科普中國·直擊最前沿》邀請中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓，講述中國電池的崛起。
崛起的中國電池
弘揚(yáng)科學(xué)精神，普及科學(xué)知識，為貫徹落實(shí)國務(wù)院印發(fā)的全民科學(xué)素質(zhì)行動規(guī)劃綱要中國科協(xié)科普部和北京廣播電視臺共同推出國內(nèi)首檔科學(xué)家演講電視科普欄目。
2024中國汽車重慶論壇在6月6號舉辦，上汽集團(tuán)的宣布將在2026年量產(chǎn)固態(tài)電池，固態(tài)電池的能量密度將會超過每公斤400瓦時，同時將會具備更好的安全性能和低溫性能。那么到底什么是固態(tài)電池？固態(tài)電池的發(fā)展和量產(chǎn)又會給我們的生活帶來什么樣的改變呢？
特邀嘉賓李泓：中國科學(xué)院物理研究所研究員，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃儲能與智能電網(wǎng)專項(xiàng)指南編寫總體組組長，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出鋰離子電池，納米硅碳負(fù)極材料，并開發(fā)了高能量密度混合固液和全固態(tài)鋰電池，助力中國鋰電領(lǐng)跑全球。
以創(chuàng)新之力，探索電池技術(shù)的前沿，用科技之光，照亮社會進(jìn)步的道路。
鋰離子電池的電解液，一直以來都是廣泛的使用，正常使用的時候是不會有問題的，但在一些極端的情況下，特別是高熱的情況或者過充的情況下，它容易燃燒起火爆炸，大家就在想，能不能把這種容易燃燒的電解液逐漸的減少，最后變成一個不容易燃燒的完全是固體的這個電池，這樣就實(shí)現(xiàn)了從液態(tài)到半固態(tài)到全固態(tài)這項(xiàng)技術(shù)的迭代和創(chuàng)新。
液態(tài)電池，鋰離子在液體中穿梭運(yùn)動就好像順著河流往前走，如果把所有的液體都抽干了，像一個干涸的土地一樣，科學(xué)家就想辦法，如何在一個完全固態(tài)的體系里讓離子跑得非常快，所以實(shí)際上從液態(tài)到固態(tài)，還是有很多的科學(xué)和技術(shù)上的挑戰(zhàn)。
鋰電池到底安不安全？
我們大部分生產(chǎn)的產(chǎn)品，特別是頂尖企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，是非常安全的，很少會出現(xiàn)問題的。但因?yàn)楝F(xiàn)在，特別是在電動自行車這個方面，有些銷售商希望電動車跑得更遠(yuǎn)，甚至把電動汽車淘汰下來的電池改裝以后直接裝到了電動自行車上，因?yàn)楫吘鼓芰棵芏缺茹U酸電池還高，那么不正常的改裝，特別容易導(dǎo)致電池著火，第二就是劣質(zhì)的電池，制造的時候有很多的缺陷，遇到一些振動極端的情況下，內(nèi)部容易短路，也會出現(xiàn)導(dǎo)致著火的這種情況。
今天大家如此關(guān)注電池，歸功于新能源汽車的崛起，鋰電池是電動汽車的關(guān)鍵部件，被稱為電動汽車的“心臟”，在世界汽車大國你追我趕逐鹿新能源車的今天，可以說得鋰電池者得天下。
2023年6月30號，一塊由我國自主研發(fā)能量密度達(dá)到每公斤360瓦時的半固態(tài)鋰電池正式交給電動汽車的龍頭企業(yè)，這一進(jìn)展，標(biāo)志著中國在電動汽車大國的道路上，又邁出了重要的一步。被認(rèn)為是全球電動汽車行業(yè)的重要里程碑。
鮮為人知的是，到達(dá)這一里程碑之前，中國科學(xué)院物理研究所科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在鋰電池領(lǐng)域潛心耕耘了40余年。
上世紀(jì)70年代全球爆發(fā)了石油危機(jī)，讓全球能源領(lǐng)域第一次意識到，應(yīng)該找到一種全新的清潔能源的解決方案，作為化石能源的替代品。美國率先布局了未來能源產(chǎn)業(yè)，希望能夠繼續(xù)稱霸能源界。
1976年末，陳立泉老師正在德國馬克斯普朗克固體化學(xué)物理研究所訪問，他發(fā)現(xiàn)馬普所正在研究一種固態(tài)電解質(zhì)材料-氮化鋰，這個材料有可能用于開發(fā)固態(tài)鋰離子電池，預(yù)期能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)時的鉛酸電池，有望在未來的產(chǎn)業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用。陳老師立即決定，選擇這一方向，他便開始了固態(tài)鋰電池的研究。在1988年，第一批的全固態(tài)金屬鋰電池在物理所的實(shí)驗(yàn)室誕生，但在當(dāng)時，其距離商業(yè)化應(yīng)用還非常的遙遠(yuǎn)。
起初國內(nèi)并不掌握液態(tài)鋰離子電池的制造方法，更不了解電池的結(jié)構(gòu)。我們通過研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池之所以性能出眾，相對于原來開發(fā)的那些電池，主要是它的材料優(yōu)勢和電極制造的優(yōu)勢，在鋰離子電池制造電極的時候，是把非常小的正極顆粒做成漿料，涂布在鋁箔上，但要做的很薄，跟以前做電池的工藝完全不一樣，好在咱們中國也參與過電影膠片的制造，電影膠片也是非常多層的一個涂布，我們中科院當(dāng)時的感光所，現(xiàn)在的理化所，他們也掌握了這個涂布，所以我們跟感光所的老師經(jīng)過交流，終于理解了如何讓漿料在鋁箔上涂得非常均勻這個核心的技術(shù)。經(jīng)過工程師的改良，那套涂布的裝備，在當(dāng)時的電池生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，在進(jìn)一步持續(xù)努力基礎(chǔ)上，陳立泉老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了圓柱電池的試驗(yàn)線，誕生了我國第一顆圓柱鋰離子電池。
數(shù)年間正極材料不斷突破，然而負(fù)極材料的研發(fā)非常緩慢，常規(guī)石墨負(fù)極材料，接近能量密度極限，已經(jīng)嚴(yán)重制約了鋰電池性能密度的繼續(xù)提高，和電動車?yán)m(xù)航的提升
里程嚴(yán)重的制約了電動汽車的發(fā)展，而在高能量密度電池，特別是高能量密度負(fù)極材料方面，我們是有儲備的，1996年，我在物理所念博士的時候，我們就開始研發(fā)高能量密度鋰離子電池的硅碳負(fù)極材料，并獲得了系列材料的發(fā)明專利的授權(quán)，與傳統(tǒng)的負(fù)極材料石墨材料相比，硅碳作為負(fù)極材料，優(yōu)勢非常明顯，因?yàn)楣璨牧系睦碚撡|(zhì)量比容量最高可達(dá)4200毫安時每克，遠(yuǎn)高于石墨的理論容量372毫安時每克，是目前已知負(fù)極材料中，理論比容量最高的材料，但是在技術(shù)研發(fā)過程中，我們需要克服一系列的困難。
在技術(shù)研發(fā)過程中，李泓和他的團(tuán)隊(duì)又遇到了新的困難，硅碳負(fù)極材料在電池充放電過程中，材料體積會增大數(shù)倍，這樣的體積變化，輕則造成電池體積膨脹，重則引發(fā)電池爆炸。如果問題不能得到解決，新材料將無法使用。
最大的一個技術(shù)難題，對硅負(fù)極來說，怎么解決在嵌鋰過程中存在的巨大的體積膨脹，而這個問題要不解決，就會限制它在生產(chǎn)實(shí)際中的規(guī)模化應(yīng)用。后來，我們通過硅材料的納米化技術(shù)，超均勻的分散技術(shù)等一系列的技術(shù)，終于逐步的解決了這一問題。2013年，我們已經(jīng)完成了10公斤的小試，在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下，開始進(jìn)入到中試放大的階段，到了2016年底，我們完成了從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵的一步，目前已經(jīng)通過創(chuàng)辦企業(yè)建立了萬噸級的生產(chǎn)線，生產(chǎn)的納米硅碳負(fù)極材料克容量達(dá)到了目前世界的最高水平2000毫安時每克以上，材料的綜合性能，達(dá)到已經(jīng)量產(chǎn)的世界領(lǐng)先水平。
納米硅碳負(fù)極材料是我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的鋰電池的核心材料，這才有了后來鋰離子電池能量密度的不斷突破，并支持我們開發(fā)的動力電池達(dá)到了360瓦時每公斤的一個世界級的最高水平。逐漸成為了新一代動力電池的新的標(biāo)桿和標(biāo)配。
隨著社會科技的不斷的進(jìn)步，長續(xù)航的新能源汽車、電動航空、智能終端、新能源的存儲、國家安全等領(lǐng)域，對鋰電池提出了更高的要求，需要電池既具備高的能量密度，又要有高的安全性，那傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，能量密度提升越來越有挑戰(zhàn)，因此我們將目光再次轉(zhuǎn)到了陳立泉老師早期研究的固態(tài)電池上面。
固態(tài)電池是一種使用固態(tài)的電極材料和固態(tài)電解質(zhì)的電池，它可以搭配新的具有更高能量密度的正極材料和負(fù)極材料，這樣的話可以讓電芯大幅的減重，根據(jù)理論的預(yù)測，未來能量密度還可以進(jìn)一步的提升到600瓦時每公斤以上。這樣的話有可能會支持電動飛機(jī)的發(fā)展。同時，固態(tài)電解質(zhì)一般情況下不容易爆炸燃燒，用不燃燒的固態(tài)電池替代可燃的電解液，固態(tài)電池同時能夠?qū)崿F(xiàn)更高的安全性。
中國要實(shí)現(xiàn)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的持續(xù)領(lǐng)先，必須要發(fā)展固態(tài)鋰電池，物理所在2016年結(jié)合早期的全固態(tài)金屬鋰電池和我們開發(fā)的液態(tài)鋰離子電池，創(chuàng)造性的提出了基于電解液原位固體化的系統(tǒng)的技術(shù)路線，開發(fā)了具有我國知識產(chǎn)權(quán)的固態(tài)電池技術(shù)的專利群，形成了整體解決方案。2024年6月6號，浙江龍泉磷酸鐵鋰儲能電站順利并網(wǎng)，使得我國在全球范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了固態(tài)電池及關(guān)鍵材料的量產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。
那么 高能量密度固態(tài)電池材料和電池究竟是怎么設(shè)計出來的，中科院物理所研究院禹習(xí)謙老師詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)室情況及電池制作過程。
幾天前，我們中國科協(xié)的萬鋼主席，再次來到這里調(diào)研了我們固態(tài)電池的發(fā)展，他是一直持續(xù)的關(guān)心推動中國鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步。
如今，我國在動力儲能鋰電池市場，全球占有率均位居世界第一，鋰電池中91.6%的專利技術(shù)來自于中國，這是過去30多年來，科學(xué)家和工程師共同努力的結(jié)果。
目前我國80%的鋰資源依賴進(jìn)口，一旦在全球的鋰資源供應(yīng)上出現(xiàn)了不足的時候，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展損害會比較大，因此我們必須開發(fā)不受資源限制的電池技術(shù)，那么在所有的電池中，鈉離子電池是一個非常合適的選擇。中國科學(xué)院物理研究所胡勇勝研究員他們提前布局了鈉離子電池的基礎(chǔ)研究，在國家需要的時候挺身而出。
2017年我們已經(jīng)建成了百噸級材料的中試線，包括正極和負(fù)極，以及兆瓦時級產(chǎn)能的電池線，研制出了能量密度達(dá)到了150瓦時每公斤，循環(huán)壽命超過4500次的鈉離子電池，并先后完成首座100千瓦時的儲能電站的示范，以及首座1兆瓦時的鈉離子電池的光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)的一個集成。那么這些世界第一的創(chuàng)造，也給世界范圍內(nèi)提供了鈉離子電池可以商業(yè)化的一個信心，我們相信鈉離子電池的技術(shù)將有望成為國家電池產(chǎn)業(yè)，和儲能技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略性的支撐的力量。
經(jīng)過30多年的技術(shù)發(fā)展，我們國家已經(jīng)形成了以液態(tài)鋰離子電池為基礎(chǔ)，半固態(tài)電池進(jìn)入市場，全固態(tài)電池全面研發(fā)，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的多種電化學(xué)儲能技術(shù)加速發(fā)展的一個態(tài)勢，我們也將會和世界范圍內(nèi)的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)繼續(xù)密切合作，為中國電池技術(shù)的進(jìn)步，為人類社會更高質(zhì)量的發(fā)展，為雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，作出重要的貢獻(xiàn)。
北京萬龍精益導(dǎo)控技術(shù)有限公司研制的Feli1200電池超聲波檢測系統(tǒng)已服役于中科院物理所，服務(wù)固態(tài)電池的開發(fā)，助力新能源電池產(chǎn)業(yè)升級。
Feli 系列電池超聲波檢測系統(tǒng)在鋰電池研究領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。利用聲波對電芯內(nèi)物理化學(xué)變化的敏感性進(jìn)行原位無損的成像，進(jìn)而得到電池內(nèi)部狀態(tài)變化信息?？梢詫﹄娊庖旱慕櫊顟B(tài)、電芯副反應(yīng)產(chǎn)氣、電芯析鋰的進(jìn)行研究，以及對電芯荷電狀態(tài)和循環(huán)穩(wěn)定性等進(jìn)行預(yù)估，為電池的健康狀況進(jìn)行綜合評估、為優(yōu)化電池裝配工藝、分析電池失效機(jī)制等方面提供了無損技術(shù)手段和有效途徑，有助于實(shí)現(xiàn)電池的安全性預(yù)警與故障的及早排除。
Feli 系列電池超聲波檢測系統(tǒng)是一種無損原位表征手段，廣泛應(yīng)用于電池生產(chǎn)廠、高校、研究院所，消防以及電池回收利用等領(lǐng)域。
可實(shí)現(xiàn)多種顯示功能：A掃描波形、B掃描斷面圖、C掃描圖像、D掃描顯示、層析等?？赏ㄟ^缺陷識別功能統(tǒng)計析鋰面積、氣泡面積、浸潤效果等數(shù)據(jù)。
相較于傳統(tǒng)電性能電池檢測手段，有助于縮短電池的研發(fā)周期，特別是與充放電、溫度控制相結(jié)合全壽命實(shí)時在線可視化電池內(nèi)部變化。及超聲信號早于電信號，有助于電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警等優(yōu)點(diǎn)。
電池超聲檢測技術(shù)具有效率高、成本小、無污染且定位精準(zhǔn)的特點(diǎn)，為電芯研究、生產(chǎn)、服役、梯次回收提供了有效的原位免拆解表征手段。
該技術(shù)可用于：軟包電池、硬殼電池、固態(tài)電池等
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