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锂资源与安全问题“卡脖子”,动力电池往何处去?

2022-11-22 来源:知识分子(ID: The-Intellectual),作者张天祁 浏览数:1

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中科院物理研究所研究员、松山湖材料实验室副主任黄学杰

动力电池需突破锂资源受制于人的局面,积极发展下一代动力电池技术,要提高电池的综合性能,特别是安全性能。

在11月4日举行的 “2022清洁能源技术与双碳科学论坛” 上,中科院物理研究所研究员、松山湖材料实验室副主任黄学杰与华中科技大学教授黄云辉进行了以 “动力电池技术的未来” 为主题的分享与讨论。

黄学杰在会上说,眼下,动力电池已经成为中国汽车行业的关键出口部件,而且支撑了汽车产业的发展。今年中国电动车产量即将超过600万辆,占全球一半以上,其中60%以上的动力电池是由中国生产。生产这些电池的材料、核心的装备2/3以上也是在中国本土生产的。

现在,特斯拉向美国、欧洲销售的车辆很大一部分使用的是宁德时代的磷酸铁锂电池;日本丰田在汽车界长期是技术领先者,今天在买比亚迪的电池;德国将会有10万辆比亚迪电动汽车作为出租车,这在过去是无法想象的。

黄学杰介绍说,动力电池行业有今天的发展,最重要的是锂离子电池技术的贡献。锂离子电池能量密度高,寿命长,成本相比过去有了大幅度下降。对此,中国政府有一个近三十年的谋划,长期布局新能源汽车和动力电池产业,在研发上投入了几千亿元,还投入了更多补贴用于拉动市场。十五年前,中国抓住发展第二代动力电池的机会,对动力电池产业发展制定了目标清晰的宏观计划。令人欣慰的是,今天动力电池达到的所有指标都超过了十五年前发布的指标。

如何区分动力电池属于第几代?黄学杰解释,正极材料决定了动力电池的性能。第一代动力电池是锰酸锂电池,当年日本技术领先,卖得最红火的车是日产聆风,销量接近100万台。但锰酸锂电池容量不足,聆风只有200多公里续航里程。第二代是磷酸铁锂跟三元电池,分别满足普及型和高端型需求。使用磷酸铁锂电池的电动汽车能续航400-500公里,三元电池能够续航600-700公里。

黄学杰回顾,第一代的锰酸锂电池日本领先,中国只能跟踪高技术、实现产业化。当时,国内第一代电池不能满足汽车产业的发展需要,只能先从两轮车做起,通过学习进入动力电池行业。中国当时成立的企业,如今仍然是全球最大的两轮车企业。

在此基础上,中科院在2006年开始推动磷酸铁锂电池的发展,也就是今天最主流的电池。“中国抓住了磷酸铁锂的机会,磷酸铁锂材料几乎全部在中国生产。2021年全球生产了49.5万吨,中国生产了49万吨,接近99%,电池也是这个情况。更重要的是,磷酸铁锂电池是电力储能最优的电池。现在国家能源局禁止中大型化学储能电站使用三元电池,只允许用磷酸铁锂电池,就是因为它有更好的安全性。” 黄学杰说。

“总的来讲,经过长期的谋划。从 ‘863’ 第一期开始,中国一步一步实现了动力电池从材料到装备,从制造能力到研发能力的突破,走到国际靠前的位置。” 黄学杰说。

中国动力电池产业发展的资源压力

黄学杰指出,中国动力电池和电动汽车产业已经在国际上占据了重要地位,但并不是没有发展压力,资源问题仍在制约产业发展。一些关键的金属元素现在开始供应紧张,典型的例子是锂的价格。碳酸锂从两年前的4万元一吨,涨到55-56万元一吨。尽管中国锂储量是世界第四名,但在国际上却受制于人。国际上已经开始行动,南美几个锂资源大国准备成立锂佩克,即锂资源的垄断组织。加拿大最近也宣布取消三家中国企业的锂矿产合同。

这只是锂资源的情况,实际上,钴的情况更为严峻。黄学杰表示,全球的钴大部分已经被用到锂电池中,锂电池未来可能面临无钴可用的情况。所以做无钴电池,同时节省锂、镍资源非常重要。

“资源的问题日益突出,占的市场份额这么大、产能这么大,但资源又受制于人,这个问题怎么解决?” 黄学杰指出,动力电池必须走向第三代。“性能提升是一方面,资源的节约、资源稀缺元素的替代变得尤为重要。” 黄学杰说。

三代电池的性能相比二代电池都有明显提升。二代磷酸铁锂电池便宜、资源用量少,但续航里程不够长,冬天北方的司机感受尤其明显。磷酸铁锂电池的升级版是5V尖晶石镍锰酸锂电池,性能提升的原理是在锂离子量相同的情况下,通过提升电压来增加容量。

“同样的锂离子量,把电压升上去。跟水电一样,水电抽的是水,锂离子电池里面在正负极抽的是锂离子,用更高的电压分散锂离子的时候,就能储存更多的能量。所以镍锰酸锂电池电压比今天的磷酸铁锂电池高40%还要多一些。” 黄学杰说。

技术上的难点是,今天的车用电池电压一般是4.2V,镍锰酸锂电池需要充电到4.9V,同时还要保持电池寿命。黄学杰表示,经过科学家二十多年的工作,现在充到4.9V的镍锰酸锂电池,在常温与高温条件下的寿命均超过充到4.2V的三元电池。跟同样高水平的磷酸铁锂比,同样尺寸能量多了50%,低温性能提高,成本按目前碳酸锂资源价格计算低了29%。

三元电池的升级版则是高密度的镍酸锂/合金化负极电池,不再依赖钴资源。黄学杰解释,镍酸锂材料配合高容量的负极解决了一系列材料稳定性问题。过去三元电池把镍密度做高会出现很多问题,包括镍很难被制成单晶,但现在经过物理所致密微晶技术的处理,高镍材料变得非常稳定。

黄学杰表示,在不用钴的情况下,升级版三元电池的正极材料的能量密度提升了,负极材料的提升尤为明显,把石墨360毫安时/克的实际容量提升为合金的3000毫安时/克的容量。到去年年底,高镍电池容量已经提升到750瓦时/升,今年年底努力演示900瓦时/升。预计明年年底就能够达到三元的1.5倍,也就是提升50%,而且成本相应下降了30%。

黄学杰透露说,目前,第三代电池的研究不仅仅是在实验室做,比如南方的松山湖材料实验室在做三代电池的材料和中试,并且对电池企业和有能力、有意愿做电池的整车企业开放了平台,最近有多家企业开始到这边DIY,自己做出第三代电池。

不过,以上两种第三代电池还是需要锂资源。在锂资源如此紧张的情况下,锂在大规模应用中是否有替代品?对此,黄学杰介绍,中科院物理所从2010年开始布局钠离子电池,它在动力上可以满足低速车辆的需求,比如两轮车和普通物流车就可以用钠离子电池替代锂电池。现在钠离子电池一系列的材料已经研发成功。

此外,对于第四代电池的前景,黄学杰判断第四代电池是十年以后的事情,涉及涉及一系列的革命性技术,全球还在竞赛之中。

动力电池技术发展要注重安全性

在交流中,华中科技大学教授黄云辉指出,电池有几个关键的技术指标,“还有一个很关键的因素是安全性,电池的安全关系到电动汽车的安全,无论是从电动汽车来讲还是从规模储能来讲,在考虑能量密度的同时,更重要的还要考虑到它的安全性。”

黄云辉表示,现在国内外学术界都在研究材料体系,因为材料体系决定了电池体系。正极材料的变革方向之一是高镍体系,镍的含量越高,电池能量密度会越高,但安全问题可能更具挑战性。

“其实现在的电动汽车就续航里程而言,达到1000公里并不难,一方面可以靠增加容量、装机量实现,另一方面可以靠提升电池本身的能量密度。在推向实际应用的时候,如何解决它的综合性能问题,特别是安全问题才是关键。” 黄云辉说。

针对下一代的电池体系,黄云辉和黄学杰都认为,钠离子电池和固态电池是未来的发展方向。黄云辉认为,现在钠离子电池已经走到实际应用的临界点,应该会在两三年之后在应用方面有更大的进展。从综合性来讲,钠离子电池跟锂离子电池相比还是有一定的差距,这是它本身的因素决定的。但是在锂资源匮乏情况下要未雨绸缪,开发钠离子电池这样的新型的电池体系,尽快推进它的应用。

黄云辉介绍,现在国内已有接近100家企业在钠离子电池方向布局,包括材料体系、电池体系以及背后的系统,在应用方面也是在跃跃欲试,钠离子电池整个产业链有希望在近几年完善。

“钠离子电池日后在电动汽车、规模储能上的应用,还有一定的路要走,特别是综合性能、安全性这些因素。要经过规模应用的验证才能考验这种钠离子电池的应用前景到底如何,这也是日后很大的一项挑战。” 黄云辉说。

现在围绕钠离子电池有一些争议,主要是关于钠离子电池能否在电动汽车中应用。对于这个问题,黄云辉认为现在钠离子电池已经能够做到150-160瓦时/升左右的能量密度,跟磷酸铁锂比较接近,有希望在电动汽车中应用。此外,钠离子电池用于规模储能,特别是分布式储能应用的前景可能会大。

固态电池同样是最近几年国内外的热点,多家企业已经在布局。黄云辉判断,全固态电池要十年以后才有可能产生材料体系或者电池制备技术的革命,当下固液混合、半固态电池的应用前景值得期待。

电池的综合性能,特别是安全性能如何来提升?黄云辉认为,安全性首先决定于电池材料,电池材料里面怎么通过正负极材料、电解液材料、隔膜材料、集流体材料综合考虑,解决本身的安全,这点非常重要。

黄云辉介绍,“十四五”期间中国已经布局了彻底解决电池安全安全的一些关键材料,包括PT铝、PT铜这样的复合集流体,它们不但可以解决穿刺这类的安全问题,也可以减重,从另外一个角度还可以增加能量密度。

黄云辉也对电池锂资源问题进行了展望。他认为电池回收利用,包括梯次利用、再生利用的技术不仅能解决环保问题还能解决资源问题,会是一个大产业,未来的发展值得期待。



 

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