张久俊:《全球电动汽车电池及锂电池的发展:现状、挑战、展望》

发布日期:2021-07-16

核心提示:7月7日,2021中国国际锂电产业大会(简称金砖锂电论坛)在上海汽车会展中心顺利召开。本届金砖锂电会议为期两天,主题为以新技术
 微信图片_20210716174732
7月7日,2021中国国际锂电产业大会(简称金砖锂电论坛)在上海汽车会展中心顺利召开。本届金砖锂电会议为期两天,主题为以“新技术、新应用、新发展”为主题,采用“会议论坛+展览展示+体验营销”三位一体的创新模式,多项重点活动同期同地举办,充分协同联动,品牌效应和影响力大幅提升。
 
加拿大皇家科学院院士、工程院院士、工程研究院院士,上海大学理学院院长、上海大学可持续能源研究院院长-张久俊出席论坛并发表主题演讲——《全球电动汽车电池及锂电池的发展:现状、挑战、展望》。

 

微信图片_20210716175616

 

以下为演讲实录:
 
    非常感谢大会的邀请,给我这样一个机会与大家分享目前全球锂电池发展的状况。

    一、新能源电动车发展的趋势

    目前,全球机动车保有总量大约有17亿辆,其中,中国有2.7亿辆。这些汽车大部分都是燃油车,主要是烧汽油或者柴油等化石燃料,也就是高碳燃料。燃油车的大规模使用带来一种不可控的污染--它排放的尾气含有二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等污染物,造成大气污染,对于人类可持续发展造成威胁。因此,我们要大力发展低碳或绿色能源转换技术,新能源电动车就是其中的一种。

    为什么我们说新能源电动车发展有它的优势?首先,世界主要发达国家都把发展新能源汽车列为国家战略。去年以及前年,德国、法国、英国这些发达国家都纷纷宣布,到2040年左右禁售燃油车,我们中国也在考虑这个问题。目前我们国家在大力提倡碳中和,碳达峰的能源战略:到2060年中国要达到碳中和,这就要求我们大力发展电动车。另外,根据国际上的《巴黎协定》规定,在2100年前要把全球平均温度控制在2摄氏度以内。为了达到这个目标,就需要在2040年左右,全球汽车在现在保有量的前提下,电动汽车数量需要达到6亿辆。而新能源电动车的动力系统主要就是电池,包括燃料电池、锂电池和其他电池,电池是电动车的核心。

    二、电化学能源技术

    什么是电化学的技术?电化学技术是目前被认为最可靠、最有效的能源转换形式之一,包括很多种类,常见的有锂电池,燃料电池、二氧化碳还原、镍氢电池等,还有金属空气电池,这些都是电化学技术。衡量电化学电池技术的优劣有五个大的指标:

    1.能量密度要高,尤其在汽车领域内的利用,对这方面的要求更高,主要涉及到汽车的续航里程。

    2.功率密度:通俗讲就是存储的电量可以在多长时间可以释放出去,如果存了大量的能,但是输出的很慢,花费很长时间,那么功率密度就比较低,在汽车上的应用就大打折扣。

    3.循环寿命。汽车电池能够充放电多少次,这关系到汽车成本,对于普通购买者来说,非常重要。

    4.价格。这个电池再好,但是非常贵,那也不利于产业化。除非在一些非常特殊的环境下,比如说空间电源上,可以不计价格,或者军事上不计价格。但是作为民用,大面积推广,价格还是必须降下来才能有市场。

    5.安全性。安全性应该是动力电池首要考虑的问题,这毕竟关系到乘客的生命安全,应当列为第一大指标。

    目前,主要通过这个五个大的标准来衡量电池的好坏。这副图是根据能量密度、功率密度、寿命、价格和安全性,总结出来的各种电池呈现出的不同应用场景,用户可以根据你的需要来选择不同的电池。当然,这里面有很多电池还处在早期的发展阶段。比如说金属空气电池,能量密度特别高,但是现在处于发展阶段。燃料电池现在可以在汽车利用,但是价格很贵,所以目前也达不到大规模产业化。

    三、锂电池发展的趋势

    锂电池有很多的应用:1.运载装备,比如应用在汽车上;2.能源存储:最近几年光伏发展非常快,风能发展也非常快,这些绿色能源必须要储存起来,才能够有效应用,才能变成真正的绿色能源,否则就是弃电,垃圾电。这就需要锂电池来储存这些能源;3.电子通讯;4.国防航天。

    目前虽然锂电池的应用场景非常广泛,但是,我们也要清醒地认识到它存在的一些问题:1.循环寿命无法满足现代社会的发展要求。2.能量密度无法满足当今人们对汽车续航里程的要求。3.安全性问题,我们要提高能量密度,假如我们用磷酸铁锂材料,安全性可能稍微好一点,但是还是有问题的。尤其是在汽车上的应用,要提高循环寿命和减少充电时间,更要提高安全性。

    这张图是锂电池关键材料技术路线发展,从图中可以看到锂电池包括正极材料、负 极材料、隔膜、电解液、导电剂,每一代锂电池的发展对这些材料都有不同的要求。随着电池材料的不断更新发展,锂电池的能量密度由第一代100Wh/Kg,增加到第二代的200Wh/Kg,目前已经发展到了第三代,这个数值提升到200-320 Wh/Kg,主要是指三元体系。

    目前,车用动力电池的主要有锂离子电池及全固态锂离子电池、可充电锂硫电池、锂空气电池等。首先,我们来看锂离子电池及全固态锂离子电池,该类型电池的优势非常多,主要应用于电动车及电网中。该类电池目前的研究方向主要集中于(1)采用新型纳米材料提高能量密度和功率密度,(2)提高循环寿命和减小充电时间,(3)改进组装模式。我们团队在这方面的研究主要集中在负极材料,合成制备了多种高性能的金属氧化物负极材料,这些材料可以进一步提高电池的能量密度。

    第二个可以用到汽车里的电池是锂硫电池。这类电池的能量密度和功率密度都很高,优势非常明显。但是也存在一个问题,它的循环寿命还有待提高。目前最好的锂硫电池循环寿命可以达到800-900次,但是这个循环寿命还是无法满足在汽车上的应用。

    第三种可以用在汽车上的就是金属空气电池。金属空气电池,尤其是锂空气电池尽管目前发展不是那么快,但是它的优势非常明显,前景非常好。其中,最大的优势是理论能量密度非常高,可以达到3600Wh/Kg,相当于最好锂电池的10倍。但是目前发展还是受限于循环寿命,另外一个缺点就是易受操作环境影响。该类型电池的商业化还有一段距离,目前的研究方向应集中在新材料探索,尤其是双功能电极材料。我们在这方面做了一些研究,合成出的这些电极材料看起来都比较漂亮,性能相当不错。

    这张图是目前全球知名品牌电动汽车的锂电池状态,包括电池的化学组成和最佳实用性能等。这些公司的电池能量密度一般都可以达到300Wh/Kg,即使磷酸铁锂也可以达到180 Wh/Kg左右,循环寿命在1000-1500次,但是成本价格比较高,都在100美元每千瓦时左右。

    接下来让我们了解一下高能电动车发展的里程路线图,也就是我们经常提及到的续航里程问题。从图中我们看到,2014年的电动车续航里程大约是190公里,经过业界同仁的不断努力,电动汽车的续航里程发展到今天的400公里左右。但是,如果要满足人们的需求,电动汽车的续航里程至少在500-700公里,才能媲及燃油车。另外,续航里程和能量效率是密切相关的,一般指在标准能量效率下的续航里程。我们到2030年要达到600Km/Kg,使我们的电池发动机系统能量密度要达到350Wh/Kg。

    这张图展示了2020年1月-6月全球前20名电动车电池出货量及系统能量密度,这个出货量非常大。尤其从2021年以来,各个大的锂电池公司的出货量都在大幅度增加。据我和几个锂电大公司的主管聊天得知,他们的订单已经排到明年上半年。

    这张雷达图里面有十个标准,中间的红色是锂电池目前能够达到的。我们可以看到,目前锂电池需要在能量密度,功率密度,循环寿命等方面进一步的提高。其中,我们要发展长续航里程的汽车,关键指标是能量密度,这是技术更新换代的一个标志。当然,能量密度的提升必须在高安全的条件下才能有效。

    这张图是中科院李泓教授总结的关于提高锂电池能量密度的PPT,我借来用一下。从图中可以看到,从上世纪90年代一直发展到2020年,我们目前电池本身能够达到300Wh/Kg的水平。到2030年要求电池本身能够达到500Wh/Kg。怎么样能够达到这个指标?接下来和大家仔细探讨。

    能量密度和安全是紧紧结合起来的。从这个图中可以看到循环寿命以及它的能量密度。能量密度越高的电池,它的循环寿命越差劲。能量密度越低的电池,它的循环寿命越好,这就是一个自然规律。但是,我们应该怎么做呢?既达到一定的循环寿命,也有最高的能量密度,这是我们努力的目标。

    这一张是下一代锂电池发展的路线图,目前我们用的是磷酸铁锂和三元材料电池,到2020-2025年要发展固态电池和锂硫电池,2025-2030年要发展锂空电池。根据目前的推算,电池循环寿命达到3000次才能满足2030年电动汽车的要求。

   实现高能量密度有效策略有很多种,主要体现在这张图中。首先我们要认识到问题,这些问题造成的后果,后面有改进方式。高能量密度在未来的发展趋势是发展高能量密度全固态锂电池,这是我们未来发展的趋势。

   全固态锂电池的主要问题是什么?电解质的导电性,包括氧化物的电解质、硫化物的电解质、聚合物的电解质,以及界面与兼容性两方面的问题。我们可以通过改进措施来达到全固态锂电池的发展。我们看看目前对于全固态电池研究的发展现状,这里面列出了很多大公司,包括我们中国的几个大公司,他们用的电池类型,目前达到的参数以及应用场景等等。

    在未来追求的目标中,锂电池的能量密度需要达到500Wh/Kg及以上。有哪几种电池可以达到呢?我列出来三种电池。1.锂硫电池,2.金属空气电池,3.二氧化碳电池。

    锂硫电池和锂空电池发展非常大,总体的趋向还是从液态电池到全固态电池。全固态锂硫电池存在四个方面的问题:1.硫导电率比较低;2.体积的膨胀;3.Li负极的安全性和4.穿梭效应。硫产生反应以后,产生小分子硫化物,可以穿过溶液到负极上,产生穿梭效应。对此,我们也有很多的应对策略,业界的同仁也在做非常大的努力。

    第二个可能实现500Wh的电池是锂空电池,锂空电池存在的问题是空气电极、催化剂、电解液等方面的问题。锂空电池主要的改良策略是开发合适的碳空气电极材料,发展双功能催化剂,这是非常重要的一个方面。

    四、总结与展望

    1.大规模使用基于化石燃料的燃油车会造成污染并破坏我们的环境,需要用电动汽车替代部分燃油车。

    2.发展固态锂电池(包括锂离子电池、锂硫电池电池和锂空气电池)的进一步开发是实现电动汽车500Wh/Kg能量密度目标的必要策略。

    3.提高能量密度、功率密度、寿命仍然是电池开发的研究重点。探索低成本的高性能电极、电解质材料是关键因素。

    4.安全性是当今和未来锂电池最重要的因素。

    5.可以进一步探索锂二氧化碳电池,这对我们碳中和起到一定的作用,而且能够达到500Wh/Kg的目标。但是这类电池目前停留在概念阶段,要进一步发展。
 
    以上就是我今天报告的内容,谢谢大家!


 
[ 新闻搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 违规举报 ]  [ 关闭窗口 ]

 
0条 [查看全部]  相关评论


网站首页 | 关于我们 | 联系方式 | 使用协议 | 版权隐私 | 网站地图 | 排名推广 | 广告服务 | 网站留言 | RSS订阅 | 沪ICP备16055099号-3

第一锂电网 版权所有 © 2016-2018 咨询热线:021-6117 0511  邮箱:heli@heliexpo.com.cn 在线沟通:

本网中文域名:第一锂电网.中国本站网络实名:第一锂电网-中国最专业的锂电池行业信息网站

 
爽妇网亚洲综合网,国产真实伦对白全集,日本三级片电影,乱老年女人伦免费视频 宿迁奔吨影视文化发展公司