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专访陈立泉院士:固态金属锂电池研发四十周年回顾与展望

2016-12-28 11:33
华静一
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纳米硅负极材料

1997年,我们首次提出用纳米结构的硅作为高容量负极材料。现在国际上普遍认可纳米硅将成为第三代锂离子电池负极材料。在过去的19年里,我们研究了纳米硅的储锂机制。可逆比容量为380~2000 mA·h/g的纳米硅材料正在试点生产线上生产,并开始在全电池中测试。纳米硅是唯一一种在中国提出并发展的锂离子电池负极材料。

储锂纳米材料中的尺寸效应

我们首次在实验上发现了一种稳定的氟化物纳米复合物,该氟化物可以储锂,这多亏了一种新的界面储存机制。在八种可逆储锂机制中,这是唯一一种在中国发现并证实的储锂机制。

在锂离子电池中开创理论计算

为了使理论和实验研究更好地结合起来,我们从2001年开始招收理论物理专业的研究生。上面提到的LiCoO2的表面修饰和LiFePO4电子电导的改进都是理论研究与实验相结合的结果。

我们计算了1172种电化学储能体系的理论能量密度来筛选合适的材料。基于这些结果,我们提出了一种可再充电池发展的技术路线。很明显,从重量能量密度考虑,锂空气电池将会成为电动汽车的终极可再充电池。

问:在20世纪90年代,当研究重点从固态到液态锂离子电池转移的时候,我们可以从中得到哪些经验?

陈:中科院和科技部支持的快离子导体和固态电池的研究为锂离子电池的研究和生产提供了知识、技术、设备和人才。20世纪90年代,我们不仅完成了固态锂电池相关材料的研究,也研发出了电池充放电的设备。在“863”计划项目的审查期间,展示了由固态锂电池作为电源的收音机和录音机。首个“863”项目的成果展览陈列了一些使用自制的涂料绕线机和其它自制设备制备的固态电池。

中国早期的锂离子电池商业化极大地得益于20世纪90年代期间累计的经验,由于我们广泛使用自制的设备,大大降低了锂离子电池的价格。这些努力快速促进了中国锂离子电池产业跃居于世界前三位。

1989年,中国三个研究团队制备的全固态锂电池样品,物理所:左下1-4和左上1-3;北京科技大学:左上第4、5和右下;长春应化所:上面中间的样品

问:目前固态锂电池的研究似乎又开始加速发展了,对吗?

陈:固态锂电池仍然被看作是未来可再充电池技术的核心。抓住第一机会才能掌握主动权。之前我们很大程度地跟随国外的发展,但是如果我们较早地开始固态锂电池的研究,那么我们将会在这个领域处于领先地位。

虽然锂离子电池将继续使用,但是提高能量密度至300 W·h/kg的需求时,我们要考虑固态锂电池了。另外,锂离子电池采用有机电解液可能会引起起火,而固态锂电池可以避免这一风险。金属锂的比容量高达3700 mA·h/g,是石墨负极的10倍。因为金属锂本身就是锂源,那么就可以采用不含锂元素的材料作为正极,因此在选择正极材料上就会相对容易一些。

固态锂电池的关键问题是开发一种适用的电解质材料,必须满足两个标准:首先,要有较高的室温离子电导率(≥10-3 S/cm);其次,与正、负极要形成稳定的界面。有两类固体电解质材料:无机固体电解质和聚合物电解质。目前有4种或5种成熟的无基固体电解质和聚合物电解质,但是任何一种都不能完全满足需要。通过开发聚合物/陶瓷复合材料,可能会满足所有的需求条件。现有的锂离子电池设备可能部分能用来生产固态锂电池,意味着不需要额外增加成本就可以实现产业转化。以这种方式,那么在锂电池研发和生产领域,中国有可能成为一个强有力的竞争国家和主力国家。

问:固态锂电池大概什么时候可以实现商业化?

陈:电动汽车需求量逐年增加,中国已经成为生产和销售电动汽车的主力,这里面电池是关键。我们需要考虑如何布局中国的锂电池工业,以及锂电池如何满足中国电动汽车的需求。

通过采用容量约500 mA·h/g的纳米结构硅/碳复合负极材料和高容量镍基层状氧化物或锰基富锂正极材料,锂电池的能量密度预计可以达到300~350 W·h/kg的目标。为了进一步提高能量密度,有可能高达500 W·h/kg,我们就需要研发固态锂电池了。

我们需要通过“材料基因组计划”,包括高通量、多尺度计算和筛选、数据挖掘技术和方法来鉴别合适的材料,从而加快这一进程。实验和计算形成的大数据以及材料信息学有助于我们对离子扩散、储锂能力、电荷转移、结构演化等基本科学问题的理解。更重要的是,在中国,我们必须为这个令人兴奋的可持续发展的清洁能源领域吸引和培养有智慧的年轻人。我们争取在五年内实现固态锂电池的产业化。

我们的目标一定要达到,我们的目标一定能够达到!

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