孙志鹏:电池产业制备、量产仍要蓄积能量
时间: 2017-08-11 来源:千人智库网
提要:与规模庞大的动力电池需求相随的是废弃电池的资源浪费和环境污染的难题。动力电池“后市场”的烂尾问题一直也备受争议。《千人》杂志专访国家“千人计划”入选者、新疆大学应用化学研究所教授孙志鹏,解析电池产业发展之困。

孙志鹏:电池产业制备、量产仍要蓄积能量

 

文/本刊记者 陈佳 杨洁

从发布新能源汽车补贴政策到汽车动力电池行业规范,2016年,动力电池企业犹如“坐了一次过山车”。在国家各种支持政策的刺激下,我国新能源汽车产量快速增长,动力电池行业正在经历“大跃进”。

以锂电池为例,据《动力电池回收行业报告》数据显示,2015 年中国锂电池总产量 47.13Gwh。据估算,到 2020 年动力锂电池的需求量将达到125Gwh。高工产研LED研究所发布的另一组数据则显示,国内动力电池企业的数量从2014年底的50余家飙升到2016年的150余家,增长近3倍。

与规模庞大的动力电池需求相随的是废弃电池的资源浪费和环境污染的难题。动力电池“后市场”的烂尾问题一直也备受争议。《千人》杂志专访国家“千人计划”入选者、新疆大学应用化学研究所教授孙志鹏,解析电池产业发展之困。

负极材料量产难保高“性价比”

《千人》:据了解,正极材料对锂电池的能量密度、安全性、循环寿命等起着决定性作用。有专家提到,动力电池的性能优化往往依托于正极材料的技术突破。那么负极材料在锂电池中充当什么样的角色?目前正在使用的负极材料有哪些?

孙志鹏:随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高,动力电池相关材料也向着提供更高能量密度的方向发展。传统锂离子电池的石墨负极已经无法满足现有需求,高能量密度负极材料成为企业追逐的新热点。负极材料是锂离子电池的重要组成部分,它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。这主要是电池的输出电压是指在一定状态下,正极电压和负极电压的两端之差。负极电压越低,电池工作电压越高。此外,锂电池的比容量也是由正极和负极的比容量共同决定的。所以说负极材料是决定电池性能的关键因素之一。

对于锂离子电池而言,目前采用的负极材料主要包括人造石墨、天然石墨、中间相炭微球、钛酸锂、硅炭等材料。其中石墨烯是新兴的锂电池负极材料。从性能和结构上说,石墨烯二维结构材料,具有导电性强、柔韧性好、导热性好、力学性能好等优点,这对于研发高性能、柔性、超薄的电池有较大应用前景。

《千人》:前面提到在负极材料领域,诸如石墨烯、硅碳等新型负极材料正在逐步发展,您认为未来负极材料的发展趋势是怎样的?

孙志鹏: 负极材料作为锂电池的四大关键材料之一,决定了锂电池充放电效率、循环寿命等性能。锂电池负极材料国内技术成熟,碳材料种类繁多,成本比重最低。现阶段石墨类材料占锂电池负极材料的主流作用基本不会改变,但今年来新型的负极材料也开始受到业内关注。负极材料研究的主要方向如下:石墨化碳材料、无定型碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金和其他材料。许多高校、研究院所的科研人员围绕着包覆、表面改性、纳米化、复合化等方向开展了大量深入的研究,产业化也在积极推进之中。

《千人》:您目前研究哪些负极材料,想要实现产业化,还面临哪些问题难点?

孙志鹏:我目前的研究工作是以石墨烯和碳纳米管为主,由于具有特殊的结构、大比表面积、高表面活性、优良导电性和力学性能等特点,在电化学性能测试上都反应良好。然而,现在材料的宏量化制备和性价比之间的问题是制约其应用的主要瓶颈。例如,在一个批次制备几百克的碳纳米管是能够实现的,如果要生产大批量的碳纳米管,现有的制作成本就要增加。再以石墨烯材料为例,制备流程繁琐,离心和后处理的工艺就已经决定了高质量石墨烯的材料成本很难降低。目前大批量生产电池的负极材料很难做到既保证性能,又保证产量。

《千人》:我看到您近期在朋友圈转发了一条低温锂电池的最新成就,能否科普一下低温锂电池的特性?该类电池主要应用在哪些领域?

孙志鹏:低温锂电池采用特殊的材料和工艺制程,适用于零度以下的寒冷环境中使用。按照应用类型可分为适用-20-30°的民用电池,-40°的特种低温电池,还有-50°的极端环境低温锂电池电池。低温锂电池电池主要是用在部队、航空航天、深海探测、极地科考、探险等方面。

 在国外,研发的低温锂电池质量轻、能量密度高、循环寿命高。但在我国则较为薄弱。主要是在低温锂电池的工艺制造流程方法上存在缺陷,材料设计上缺乏创新。根据我自己的研究经历,低温锂电池在小实验室中已看到了明显成果,但放大到现实环境中还未达到预期的实验效果。这些问题目前还未找到合适的解决方案。

电池研发不集中难保强竞争力

《千人》:动力电池存在安全性、电池寿命和充电慢的问题,要解决这些现实问题,电池材料应如何改进?

孙志鹏:以电池发展趋势来说,一直在追求高的能量密度和工艺密度,优异的循环性能和安全性能。在锂电池上,有的正极材料使用磷酸铁锂,其稳定性和安全性比较好,但导电性弱。所以我们的工作是要通过掺杂的方式去提高磷酸铁锂的导电性。此外,正极材料还会使用三元材料。它属于高效节能的材料,弥补了磷酸铁锂的缺陷,但稳定性弱。因此很多材料本身存在不同缺陷,我们现在要通过微观结构的调整,采取各种方式去提高其稳定性和安全性,达到研究者预想的效果。

 在锂电池上,对于负极材料来说,碳材料比较稳定安全,本身循环性能较好,是目前较好的材料选择。

 此外,要提高电池的安全性和稳定性,还需要改善电解质,对电解液温度使用范围进行研究。比如在极冷环境下,电解液和材料选用是很重要的。对于如何解决动力电池安全性和寿命的问题,要从材料结构、尺寸分布、隔膜、正负极的配比去思考,需要有整体性思维。

最后针对充电问题,消费者希望电池能充电快,但从研究角度分析,充电快的电池在深度充放电上存在缺陷,循环稳定性上存在不足。这就需要研究者寻找符合要求的材料去调节电池性能。

《千人》:近几年来,国内电动汽车行业爆发式增长,作为电动汽车核心部件的锂电池市场也进入发展的快车道。我国电池材料技术的研究发展现状如何?

孙志鹏:正极材料是锂电池最为关键的原材料,占锂电池成本的30%以上。目前世界范围内已进入商业化的正极材料包括钴酸锂、三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂等。各个国家乃至各个厂商对正极材料的选择不尽相同,中国偏向磷酸铁锂的发展。由于中国大型锂电正极材料近十年迅速发展,产品质量大幅度提高,并具备较强的成本优势,近年来日韩锂电企业开始逐步从中国进口锂电正极材料,据悉目前中国锂电正极材料市场份额已占据全球一半左右,未来发展空间仍广阔。

锂电池负极材料国内技术成熟,碳材料种类繁多。从区域看,中国和日本是全球主要的产销国,从生产企业来说,负极材料生产企业出现了以上海杉杉新能源科技有限公司为代表的企业,生产软碳、硬碳,供应三星、索尼、华为、苹果等企业。有资料显示,预计到“十三五”末期,我国负极材料的出货量将超过15万吨,成为全球最大的负极材料生产国。

《千人》:有人提出我国动力电池核心技术呈现出“空心化”的倾向,您如何看待?

孙志鹏:近年来,由于政策指引,电动汽车发展迅猛。目前新能源汽车消费需求非常火爆,在这种爆发式的增长背后,包括电池在内的关键零部件出现了大量供应缺口。应该说,我们国家基本已经掌握了动力电池的核心技术,关键技术指标能够达到国际动力电池的指标,但产业存在问题和差距。体现在第一是关键零部件的生产商能力不足,技术要求和系统集成能力偏低,整体水平上不去,在供应链上形成缺口。

 我国约有上千家电池企业,生产能力层次不齐,无论在盈利、研发队伍、设备机器等都不存在优势,生产出来的产品自然无法满足消费者的需求。第二个问题是,我国在电池研发上的人力和财力投入不是集中式,而是分散在不同的方向。然而国外在电池研发走的是国家队路线,目标明确,研发竞争力高。

市场化循环链条难闭合

《千人》:动力电池的材料——钴等稀有资源基本以进口为主,电池成本中材料成本占了一半,这也是导致动力电池成本居高不下的原因,请问,您对如何降低电池材料成本有哪些思考?

孙志鹏:研究含钴元素的锂离子动力电池材料,只有合理地降低钴的使用量或找到较理想的替代材料,才可能相应地会降低电池的价格。但需要注意的是,不能一味地减低电池成本而牺牲性能。我认为目前主要是提高电池技术和探索新型电池材料两方面:大多数研究者要做的是努力提高现有正极材料的性能,同时不断探索新的电极材料,在此基础上考虑实际的材料成本。

 目前,动力电池以三元材料和富锂锰基和钒基材料、磷酸铁锂材料为主,在电池技术上有很大的改进空间,电池生产企业和科研机构也在不断深入研究,已实现电池成本和性能的改进。此外,随着3D打印纳米技术和石墨烯等新材料的研究,一些新型电池材料也在不断出现,这些新型材料很有可能使动力电池的材料在成本和性能上有所改善。

《千人》:与规模庞大的动力锂电池需求伴生的将是锂电池回收和梯次利用的行业机遇,动力锂电池回收和梯次利用中有哪些难点问题?对于这些问题的解决,您有哪些建议?

孙志鹏:目前对于废弃电池的处理主要有两个方法:回收利用和梯次利用相结合。回收利用环节的问题在于两个方面:一个是回收效益,表现在电池的回收成本、检测、运输与新电池制作成本降低之间的矛盾;另一个是报废电池无害化处理。在电池的梯次利用上,问题在于对退役电池的质量、性能鉴别、安全缺乏系统性的分析。此外,由于目前市场上电池的所有权不一样,电池属于不同的生产厂家,一旦出现问题很难确定事故责任人。

 我认为目前对于废弃电池回收利用的研究热度没有跟上。在回收的过程中,最好是先二次利用再进行回收,提高资源利用率;与此同时,加强对退役电池性能质量的鉴别,分等级进行测试评价;最后是加快废弃电池回收体系的建立,提高报废电池无害化处理的能力,搭建流程化的报废电池处理框架。

《千人》:纵观整个电池产业,我国在将电池相关研究成果转化为市场应用方面做得如何?与发达国家的差距表现在哪里?

孙志鹏:2016年中国锂电池市场规模1115亿,动力电池需求605亿,比以前增长百分之65.8,2020年动力电池需求量是2015年的5倍,动力电池的需求量是巨大的。在电池方面,我国的科研院所和高校科技成果转化率可能不到20%。

主要有三个方面的原因:一个是科技成果立项和研制阶段基本都是在我国的科技组织体系是在计划管理模式下形成的,与市场经济体系并不完全吻合,科研项目的立项大多数未根据市场实际需求确定。第二个是科技成果的评价标准也过于强调理论,缺乏系统评价体系,科研人员的成果往往也只注重学术上的价值,而项目成果的市场前景、产业化过程中的成本和收益没有给予足够的关注。第三是在科技成果研制阶段,科研项目的投资主体基本靠政府出资,而相关企业很少参与/支持投资项目的前期开发和后期应用,这将导致科研资金的投入不足,也必然导致科研成果转化动力不足,市场的前景相对有限,这点与美国等欧美发达国家的科研环境刚好相反。 


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