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中科院物理所研究员李泓:我们开发了即将量产的全球最高能量密度动力电池

睿见Economy2022-12-25 17:25:430

第七届中国制造强国论坛于2022年12月23日-26日在河北保定举办,主题为:补短板·锻长板·固底板。中科院物理所研究员,卫蓝新能源首席科学家李泓发表演讲。

中科院物理所研究员李泓:我们开发了即将量产的全球最高能量密度动力电池

李泓在演讲中表示,具有较高技术经济性、安全性,较低初装成本和全寿命周期度电成本,没有资源发展的限制,能够支撑智能运维调度,能最好地满足重大应用场景的储能技术,未来将占据主导。十四五发展的目标,就是支撑50%以上占比的可再生能源发电装机友好并网和全额消纳,实现度电成本低于0.2元,服役寿命大于20年,循环周次大于1.5万次,安全可靠的达到吉瓦时规模的储能技术,相关的材料装备和软硬件实现百分百的自主可控。

李泓指出,在交通电动化和能源清洁化方面都需要先进的电池技术。现在的液态锂电池还存在着一些技术上的问题,14种技术上的挑战以及工程工艺上生产的要求。无论是科研单位还是企业,也都不断地努力提出新的解决方案,有19种解决方案,能进一步地去提升液态锂离子电池的性能,能够满足或者说初步满足在交通领域和能源领域的重要应用。

李泓坦言,但是目前大家还不是非常满意,还需要进一步去提高。一是希望能做到本质安全,在任意使用的情况下不起火不燃烧不爆炸,同时支持快充的技术,争取获得像燃油车一样的消费体验。同时发展更高能量密度的动力电池技术,能够支撑从长续航电动汽车到电动飞机等对高能量密度的应用。另外也希望具备25年以上的使用寿命更宽的环境工作温度,以及更低的成本,做到标准化、模块化和智能化,这些都是进一步电池发展的需求。

李泓表示,现在大家都在关注固态电池。全固态电池综合指标的提升还是非常有挑战的。核心问题就是要解决界面的适配和稳定性的问题。虽然全固态电池很难,而固态电解质又具有更高的安全性,大家就开始去发展混合了固态电解质和液态电解质的混合固液电解质电池。在这种电池中可以通过5种方式,将更安全的固态电解质带入液态电池的电芯中,从而更好地兼容现有的工艺,现有的装备,现有的材料容易量产,具备更低的成本。总体来说,混合固液电解质电池可以在一定程度上去解决前面全固态电池现有技术遇到的界面的难题。

李泓提到,中科院物理所和北京卫蓝新能源提出了全新的解决方案,基于原为固态化的一种固态电池的设计,主要通过化学和电化学反应,将液态电解质转化为固态电解质,从而实现电解质与电极材料颗粒表面的原子级接触,形成连续弹性导离子的界面下,综合平衡电池,具备高能量、高安全、低体积膨胀低内阻宽温区等性能的要求。

这样的解决方案能够适应各类的负极材料和正极材料,从而满足不同的需求。目前已经在2016年申请了首次的发明专利,公开发表了学术论文,并且在国际锂电池会议上做过报告。并且已经开发出多款电芯在无人机上率先实现量产,特别是在2021年1月9日,蔚来汽车在蔚来日上首次发布了360瓦时每公斤的基于原位固态化的电池技术。这个技术就是由中科院物理所创办的北京卫蓝新能源在背后推动技术的发展。陆续申请了20多项发明专利,这种技术具备原子级建核的特征,能够实现一个连续化的界面,具有更高的倍率特性,更好的循环稳定性,更高的安全性,特别是兼容现有的工艺和设备,已经在蔚来汽车ET7车型上得到了测试,在明年上半年开始大规模的量产。

这个技术,简单地把固体电解质和液体电池混合在一起,主要是能够明显提升安全性,能够显著降低直流内阻,同时可以通过这样的技术,最终实现全固态。在改善电池安全性的同时,也能够提升电芯连续充放电的性能,提高循环性。通过大量的研究,将固态电解质带入电芯,可以从10个层面来提高电芯的安全性。相关的科研工作专利已经形成了布局和发表。

基于上述这些技术,开发的储能的磷酸铁锂固态电池具备了更高的安全等级,也具备更长的循环性。目前将在淄博工厂一期投产,目前能够具备6000-10000次以上的循环性,同时能够满足各方面的测试要求。

以上各类极限安全测试的结果,体现了固态电池更高的安全性。储能对于安全性的要求是非常高的,而之前即便是磷酸铁锂电池也出现过燃烧起火,甚至是人身伤害的这样的问题。目前这样的技术也开始通过三峡公司在乌兰察布进行了示范。

另一方面就是动力电池,李泓表示,北京卫蓝新能源开发了高能量密度的混合固液、电解质、动力电池。这种电池将在湖州工厂的2吉瓦时产线上,在明年上半年开始大规模生产,来满足ETC包括ETC车型的长续航,电动汽车的应用,目前具备了比能量超过360,超1000次的循环,安全性明显优于液态电解液。

李泓表示,这应该说是即将量产的全球最高能量密度的动力电池。

在固态电池开发的历程中,李泓等认识到直接开发全固态电池还是存在着比较多的挑战。中国已经掌握了这方面的知识产权,从自主可控的角度,更需要去发展氧化物和原位固态化。“我们认为在2027年左右,能够实现这种全固态电池的大规模量产。”李泓说。

展望未来,李泓希望开发出这样的电池,能够同时满足交通和能源融合发展的需求,包括超长的循环寿命和日历寿命,具有本质的安全性,任意滥用情况下不发生热失控,具有适当的能量密度,支撑600公里的整车续航,电池包800伏,支持两C以上的快充寿命,能够精准地预测全寿命周期的容量和功率等特性不发生突然跳水。

能够通过电芯模组和系统的设计,适应全气候,能够实现电池模组和系统的信息数据的采集和历史数据的传递,能够支撑不同领域的应用。同时特别强调的是从电芯模组到系统,真正实现标准化。这种标准化的电芯和模组同时能支撑A00级车型一直到吉瓦时级的调频储能电站的应用。这种电池需要本质的安全,因此非常有可能是全固态。综合高功率的应用和高能量的应用,形成的电芯模组和系统的解决方案,这个方案会在2027年实现大规模的量产。

以下为演讲实录:

尊敬的各位领导,各位嘉宾,大家好。我是中国科学院物理研究所的李泓,非常荣幸能在第七届中国制造强国论坛,新能源汽车与智能网联汽车论坛上作报告。今天跟大家交流分享的内容是融合发展的动力与储能电池技术。我的报告分成三个部分,首先是背景介绍,接下来介绍固态电池技术体系,最后分享对动力储能电池发展路线图的看法。

众所周知,先进电池在各个领域都是非常重要的基础支撑技术,特别是对于交通运输、清洁能源、国家安全、工业制造等各领域起着关键的支撑作用,也是实现和推动电动中国双碳目标实现的关键技术。

在国家能源中长期科技规划中,我们已经明确了七大能源发展方向,包括煤炭、可再生能源、核能、智能电网、储能、氢能和能源消费,其中储能和氢能是第一次列入了能源中长期科技规划。通过7个能源方向的发展,希望能实现清洁低碳、安全高效的战略目标。总体来说,发展可再生能源,发展规模储能技术,发展电动汽车和智能电网技术,是优化我国能源结构、保障能源安全、发展以新能源为主体的新型电力系统的国家战略,也是实现2030碳达峰,2060碳中和的主要技术路径。

各种储能技术可以分为三大类,包括储能时长小于30分钟的短时高频储能技术,储能时长在4个小时以内的中短时长储能技术,以及超过4个小时单次储能的超长时间储能技术。分别满足短时高频、中短时长和超长时间储能技术。

总体来说,具有较高技术经济性、安全性,较低初装成本和全寿命周期度电成本,没有资源发展的限制,能够支撑智能运维调度,能最好地满足重大应用场景的储能技术,未来将占据主导。十四五发展的目标,就是支撑50%以上占比的可再生能源发电装机友好并网和全额消纳,实现度电成本低于0.2元,服役寿命大于20年,循环周次大于1.5万次,安全可靠的达到吉瓦时规模的储能技术,相关的材料装备和软硬件实现百分百的自主可控。

在交通电动化和能源清洁化方面都需要先进的电池技术。那么在动力电池方面,需要满足从电动滑板车、自行车到乘用车、商用车、重卡、船舶、飞行汽车以及电动飞机等各类交通工具的全面电动化。

在储能方面,从户外的移动储能到户用储能,到通讯基站备用电源,工商业用户端的储能,绿色建筑数据中心,分布式储能以及大规模的调频调分等12种应用场景,也希望发展具备本质安全,高的能量转换效率,超长的循环寿命,低成本和宽工作温区的电子技术。

从技术的层面看,无论是动力储能还是储能电池的技术都是能源的载体,在全寿命周期可以实现高度的融合发展,可以从动力贯穿到能源的应用,实现资源的共享。具体来说,他们拥有共性的基础,科学设计、计算数据、材料、分析工艺、装备、仿真控制和监测等共性的技术和科学问题,也拥有共性的产业链和标准化体系,也同样都在重视数字化解决方案,实现智能制造,也同样关心在生产制造服役过程中的碳排放能耗和碳足迹。

同时从动力电池淘汰下来,可以继续作为储能电池的各种应用技术,实现梯次利用。另外为了解决快充桩的问题,城市里还会布局储充一体或者说光储充检一体化的装备,同时发展换电站,也具备储能的功能。

另外一个非常重要的发展方向,就是当动力电池的寿命能量密度非常高的时候,在全寿命周期中可以支持从动力电池向电网放电的双向解决方案。这些都推动着能源和交通融合发展的先进技术,先进电池技术的发展,是未来的重要发展趋势。

目前的电池主要是液态电解质、锂离子电池,我们可以看到通过不同的正极材料、负极材料以及辅助材料的排列组合,能分别去满足消费电子电池,能量型的动力电池,功率型的动力电池以及长寿命储能电池的应用。也就是说到目前为止,现在发展的电子技术还是在专业化的发展,还不能跨界的应用。

现在的液态锂电池还存在着一些技术上的问题,14种技术上的挑战以及工程工艺上生产的要求。无论是科研单位还是企业,也都不断地努力提出新的解决方案,有19种解决方案,能进一步地去提升液态锂离子电池的性能,能够满足或者说初步满足在交通领域和能源领域的重要应用。

但是目前大家还不是非常满意,还需要进一步去提高。一个是希望能做到本质安全,在任意使用的情况下不起火不燃烧不爆炸,同时支持快充的技术,争取获得像燃油车一样的消费体验。同时发展更高能量密度的动力电池技术,能够支撑从长续航电动汽车到电动飞机等对高能量密度的应用。另外也希望具备25年以上的使用寿命更宽的环境工作温度,以及更低的成本,做到标准化、模块化和智能化,这些都是进一步电池发展的需求。

现在大家都在关注固态电池。固态电池因为不用或者少用容易燃烧起火爆炸的有机电解液,用到了无机的或者聚合物的固态电解质,有可能具备更高的安全性,更高的能量密度,更高的存储效率,能够在高温下运行,支撑新的生产工艺,同时降低电池的成本。

固态电池这方面的优点已经得到世界范围内的公认。当下就是要解决在全固态电池和固态电池开发的过程中,遇到的固态电解质和正负极表面实现完美接触的难题。同时接触好了才能降低界面电阻,这两个是目前固态电池遇到的最大挑战。在全球范围内已经发展了非常多的全固态电池解决方案,每一种现有的全固态电池都存在着红颜色标注的一些短板,还需要新的改进策略去发展,需要新的思路。存在着以下8个技术的瓶颈,包括界面问题、材料问题、电信设计问题,应用问题和供应链装备工艺标准化尚未成熟的问题,也还没有找到最适合的应用场景,形成更具有竞争力的产品。

总体来说,全固态电池综合指标的提升还是非常有挑战的。核心问题就是要解决界面的适配和稳定性的问题。虽然全固态电池很难,而固态电解质又具有更高的安全性,大家就开始去发展混合了固态电解质和液态电解质的混合固液电解质电池。在这种电池中可以通过5种方式,将更安全的固态电解质带入液态电池的电芯中,从而更好的兼容现有的工艺,现有的装备,现有的材料容易量产,具备更低的成本。总体来说,混合固液电解质电池可以在一定程度上去解决前面全固态电池现有技术遇到的界面的难题。

中科院物理所和北京卫蓝新能源提出了全新的解决方案,基于原为固态化的一种固态电池的设计,主要通过化学和电化学反应,将液态电解质转化为固态电解质,从而实现电解质与电极材料颗粒表面的原子级接触,形成连续弹性导离子的界面下,综合平衡电池,具备高能量、高安全、低体积膨胀低内阻宽温区等性能的要求。

这样的解决方案能够适应各类的负极材料和正极材料,从而满足不同的需求。目前已经在2016年申请了首次的发明专利,公开发表了学术论文,并且在国际锂电池会议上做过报告。并且已经开发出多款电芯在无人机上率先实现量产,特别是在2021年1月9号,蔚来汽车在蔚来日上首次发布了360瓦时每公斤的基于原位固态化的电池技术。这个技术就是由中科院物理所创办的北京卫蓝新能源在背后推动技术的发展。我们陆续申请了20多项发明专利,这种技术具备原子级建核的特征,能够实现一个连续化的界面,具有更高的倍率特性,更好的循环稳定性,更高的安全性,特别是兼容现有的工艺和设备,已经在蔚来汽车ET7车型上得到了测试,在明年上半年开始大规模的量产。

这个技术,简单地把固体电解质和液体电池混合在一起,主要是能够明显提升安全性,能够显著降低直流内阻,同时可以通过这样的技术,最终实现全固态。在改善电池安全性的同时,也能够提升电芯连续充放电的性能,提高循环性。通过大量的研究,将固态电解质带入电芯,可以从10个层面来提高电芯的安全性。相关的科研工作专利已经形成了布局和发表。

基于上述这些技术,开发的储能的磷酸铁锂固态电池具备了更高的安全等级,也具备更长的循环性。目前将在淄博工厂一期投产,目前能够具备6000-10000次以上的循环性,同时能够满足各方面的测试要求。

以上各类极限安全测试的结果,体现了固态电池更高的安全性。储能对于安全性的要求是非常高的,而之前即便是磷酸铁锂电池也出现过燃烧起火,甚至是人身伤害的这样的问题。目前这样的技术也开始通过三峡公司在乌兰察布进行了示范。

另一方面就是动力电池,我们开发了高能量密度的混合固液、电解质、动力电池。这种电池将在湖州工厂的2吉瓦时产线上,在明年上半年开始大规模生产,来满足ETC包括ETC车型的长续航,电动汽车的应用,目前具备了比能量超过360,超1000次的循环,安全性明显优于液态电解液。

这应该说是即将量产的全球最高能量密度的动力电池。在固态电池开发的历程中,我们认识到直接开发全固态电池还是存在着比较多的挑战。

通过混合固液电解质,特别是原位固态化技术,能够对实现全固态进行更全面细致的认知。我们在2018年的报告提出来,2019年实现A样,2022年实现量产,2023年装车。现在正在完全按照这个节奏正在推进,也实现了目标。

在全固态电池中受全球广泛关注的,包括日本主导的硫化物全固态电池,以及我们正在推的氧化物加原位固态化,总体来说硫化物、电解质电导率非常得高。但是目前的制造成本,界面电阻体积膨胀适应性,还有产生有害有毒的气体方面,还不能满足大规模量产的要求。相对而言,氧化物和原位固态化的解决方案,基本上能满足电导率的要求,同时成本比较低,更容易制造。

另外很关键的一点就是中国掌握了这方面的知识产权,应该说从自主可控的角度,更需要去发展氧化物和原位固态化,当然硫化物全固态也值得继续地去推进和发展。我们认为在2027年左右,能够实现这种全固态电池的大规模量产。

为了实现固态电池的产业化,需要形成产业链。为了发展更高性能的固态电池,需要开发一系列新的电池材料,包括14种,从正极到负极到固态电解质,到膜,以及到关键的辅助材料和自修复材料这样的电子新材料。

同时要引入更先进的制造工艺,包括数字化的计算,用于加速开发数字化的制造,包括极致的制造,像宁德时代提出来的 PPB级偏差水平,以及简化生产制造流程。通过干法中断和后段的简化处理,实现极致制造和极简制造的整合,同时在所有的制造流程中实现数字孪生,从而推动智能制造的发展。另外要充分地考虑锂资源的有限性和短期供需关系的矛盾,要形成有利于循环制造这样的生产制造的流程和电池模组和系统的设计解决方案。

此外生产出来之后,整个过程要实现数字化的监测,也就是全寿命周期能够实现精准的监测,增加智能传感技术,通过大数据分析人工智能,形成大量的数据库。

另外要注意数字运维,也就是边缘协同,加强碳足迹与碳账号的管理和实现智能的监控,从而能够发展支撑和推动下一代工业4.0级的固态锂离子电池以及钠离子电池的产业链。从混合固液到全固态电池形成成熟的方案。

根据前面提到的观点,因为锂资源的局限性和需求的依赖性,我们希望锂电池能够满足高能量密度的解决方案,包括能满足电动飞机、机器人这些国家安全等一系列的高能量密度的解决方案,包括用层状的正极以及行规的负极,锂碳负荷的负极这样的解决方案,那么在中等能量密度下有可能开发出一种电池,具有超长的循环寿命,本着安全和较低的成本,一般认为是铁锂、锰酸锂和镍锰浆金石配上高性能的负极材料,实现支持主流的乘用车市场600公里快充低成本这样的解决方案。

对于大规模储能来说,钠离子电池因为体积能量密度相对于锂电池稍微低一些,但是目前已经展示出了更宽的工作温区更快的充放电速率和较低的成本,以及没有原材料的压力。钠离子电池将去满足包括低速车、乘用车、启停电源、混合动力以及长寿命的储能电池,各种储能应用场景的应用需求。从而形成高技术、高性能的技术、高水平的制造能力和资源可持续发展的良好发展态势。在最终业态混合固液和全固态将有可能形成共存,来分别满足不同的市场。

最终我们希望开发出这样的电池,能够同时满足交通和能源融合发展的需求,包括超长的循环寿命和日历寿命,具有本质的安全性,任意滥用情况下不发生热失控,具有适当的能量密度,支撑600公里的整车续航,电池包800伏,支持两C以上的快充寿命,能够精准地预测全寿命周期的容量和功率等特性不发生突然跳水。

能够通过电芯模组和系统的设计,适应全气候,能够实现电池模组和系统的信息数据的采集和历史数据的传递,能够支撑不同领域的应用。同时特别强调的是从电芯模组到系统,真正实现标准化。这种标准化的电芯和模组同时能支撑A00级车型一直到吉瓦时级的调频储能电站的应用。这种电池需要本质的安全,因此非常有可能是全固态。综合高功率的应用和高能量的应用,形成的电芯模组和系统的解决方案。这个方案会在2027年实现大规模的量产,让我们拭目以待。

最后感谢各位领导各位嘉宾参加本次会议,谢谢大家。

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责任编辑:李墨轩

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