黃學(xué)杰：創(chuàng)新驅(qū)動鋰離子動力電池可持續(xù)發(fā)展
5月22日，CIBF2018 第十三屆中國國際電池技術(shù)交流會展覽會在深圳會展中心開幕。中科院物理所/大會秘書長黃學(xué)杰在技術(shù)交流會上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
很榮幸再次站在CIBF報告的位置上，非常感謝大會的安排，受劉博士的邀請，我很高興有機(jī)會和大家分享鋰離子電池方面的工作。
我本人來自中科院物理所，固態(tài)鋰離學(xué)課題組，在這方面有40年的工作經(jīng)歷，我本人88年開始進(jìn)入這個組，進(jìn)入電池的研究領(lǐng)域。鋰離子電池快速獲得發(fā)展，我想我們應(yīng)該非常幸運(yùn)，能夠從基礎(chǔ)研究一步步走向產(chǎn)業(yè)化，不僅是在3C產(chǎn)品，而且在儲能的產(chǎn)品，在電動汽車獲得快速的發(fā)展。
政策的影響力非常大，因為早晨相關(guān)專家已經(jīng)講到政策。政策一方面讓產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展起來，今天的展會如此之宏大，有一千多人來參加這個會議。從另外一個角度，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展確實是要求電池性能更好，價格更便宜。過去為了提高電池的比能量，很多人是照著這個路線圖在走，因為前面有一個補(bǔ)貼，有“胡蘿卜”牽著，后面把大家基本上都攆到一條路上去了，都攆到高鎳的三元材料加硅碳材料，把大家攆到一條道上，日子也不是太好過。經(jīng)過大家的努力，行業(yè)在快速發(fā)展。今天咱們這么多人來，說明新能源汽車在發(fā)展，比能量也在提升?，F(xiàn)在有兩個補(bǔ)貼的要求，一個是比能量的要求，當(dāng)然還有一個是測性能的要求。
這里面真正的挑戰(zhàn)，雖然大家還是和嘉年華一樣的，但是我們知道問題在哪兒，電池的價格快速下降，原材料的成本在往上走，無論是鋰電的價格保持高位，還是鈷和鎳、石墨的價格增長，都會給企業(yè)巨大的壓力。一些企業(yè)銷售的電池，前幾年比較粗放，現(xiàn)在都到了要還債的時候，這塊的壓力不小。補(bǔ)貼之后帶來的產(chǎn)業(yè)鏈上的資金緊張，我想大家也能夠感受到。所以說痛苦并快樂著，這時候有什么樣的對策？新能源汽車必然要往前走，這個產(chǎn)業(yè)肯定會往前發(fā)展，現(xiàn)在到了轉(zhuǎn)折之年，2018年、2019年是轉(zhuǎn)折之年。在這種轉(zhuǎn)折的時候，越是要守住安全和可靠性的底線，一個星期起幾場火燒死幾個人，這種事不能老干，這肯定會有問題?？煽啃裕瓉碚f是8年十幾萬公里，現(xiàn)在估計人家接受不了，人家要求十年幾十萬公里，我估計是一個基本的要求。做不到就去換電池。我還是建議安全第一，壽命第二，第二之后的才是低成本，才是去提升比能量。產(chǎn)能過剩，整個行業(yè)轉(zhuǎn)折的時候，產(chǎn)能的利用率不到1/3，這時候更要反周期的增加研發(fā)的投入，增加先進(jìn)產(chǎn)能的建設(shè)，果斷的去淘汰落后的產(chǎn)能。我想在這里面無疑是創(chuàng)新非常重要。我簡單的匯報一下我們對創(chuàng)新的理解。
材料方面有沒有創(chuàng)新？正極、負(fù)極、隔膜、電解液，鋰電池有太多的材料選擇，無論是正極還是負(fù)極，萬幸的是鋰電池有這么多材料的選擇，如果都像鉛酸、鎳鉛一樣只有一種正極、一種負(fù)極，我估計新的企業(yè)的機(jī)會就會更少了?，F(xiàn)在還在快速迭代往前發(fā)展，感謝鋰離子電池材料體系如此之豐富，也給做研究的人提供了很好的題材。SCI上面就是一萬大幾千篇的論文，培養(yǎng)了不少教授、博士，我想這是一個重要的事情。這么多的材料，奔著高能量走到高鎳三元，我們在思考這里面有沒有其他的路徑。它的熱導(dǎo)致鈷鎳漲價，是否有別的選擇？三元，協(xié)同效應(yīng)，讓它有高的比能力，過得去的循環(huán)性能。還有鎳、鈷、鋁，提高比能量的路徑有兩條，能量等于它的工作電壓乘以它的容量。等固態(tài)電解質(zhì)出來，我估計會比較少。再等一等，我們能不能用氟化的電解液。其實更應(yīng)該考慮，在現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈體系中，用現(xiàn)在的碳酸脂的電解液怎么改進(jìn)它的性能？這種電解液里面，把材料做好了，把電極做好了，解決55度的高溫循環(huán)問題，當(dāng)它的循環(huán)性能超過三元，在同樣的碳酸脂體系里面，你有什么理由不考慮？那時候的三元材料有可能變出二元，我們一直想減鈷，我想這是一種可能性。
大家都在做硅碳材料，因為硅和鋰形成合金，有比較高的容量，現(xiàn)在用400-450，現(xiàn)在報800-1000也有的是，這里面有沒有其他的選擇？取代石墨的努力，1996年就有公司報告，但是NTT的一個實驗室看到做氧化錫的情況，20多年前的時候我們就搞清楚這里面基本的道理，你把它顆粒做得越小，循環(huán)性能越好，這里面的機(jī)制是取代反應(yīng)和合金化的反應(yīng)，可以看出來，這里面很清楚的形成了納米合金，索尼試圖把它產(chǎn)業(yè)化，由于種種原因停下來了，這個材料有很好的優(yōu)點，可以快充，比硅材料有更好的循環(huán)性能。
前兩年我們把它和石墨的材料進(jìn)行負(fù)荷，可以看到當(dāng)它的尺寸足夠小的時候，這個材料展示出良好的穩(wěn)定性，特別是低溫下面，零下20度，石墨還能不能充電，不能充電了，因為我們看到右邊的圖，就是石墨到零下20度的時候，你給它做充放的時候容量很低。如果是錫的材料，它的復(fù)合材料可以滿足低溫充電的要求。近期的進(jìn)步，你可以做成很好的材料。你不要做成一個空殼，應(yīng)該做成實心的殼，充電的時候能夠膨脹，放電的時候能夠收縮，幾十周以后殼還在，可以維持很好的效率，有良好的性能?？斐湓诮裉煲彩呛苤匾脑掝}。
用合金材料會碰到一個問題，首次容量損失比較大，上面的小紅點是第一次，那么多的鋰充進(jìn)去，到后面才能把70%的鋰釋放出來，這里面有沒有補(bǔ)償?shù)目赡苄裕瑩p失這么多鋰怎么辦？這里面可以用一些簡單的辦法去補(bǔ)鋰，比如硫化鋰，做鋰電池的就知道，容量很高，少量的硫化鋰，比其他的都要高很多。把這種材料做起來以后做成碳的復(fù)合材料，把它加一點碳就有活性，大概有1000多毫安時每克的容量。把這種材料涂到電極上面，這邊是拿磷酸鐵鋰做例子，第一步拿來補(bǔ)償，石墨10%的容量損失。大家說我們不關(guān)心石墨，我們現(xiàn)在做硅碳，硅碳的情況怎么樣？石墨的電池剛才講了，10%多給你補(bǔ)回來了，換成硅碳也可以這樣做，你算好了，把正負(fù)極的比例，活性的容量的比例設(shè)成1：1，這種情況下，你加上合適的硫化鋰，如果沒有補(bǔ)鋰的材料，我們知道硅碳的負(fù)極一次、一次容量損失，會讓你的電池容量快速下降，但是加了以后，200周，幾乎看不到變化，當(dāng)然還有其他的好處。時間關(guān)系不細(xì)講。
這些問題是可以解決的。在高倍率下也有更多的性能。
材料在進(jìn)步，大家在想辦法，電池結(jié)構(gòu)還有沒有創(chuàng)新？大家知道小圓柱的也在跑，方型、鋁殼也在做，軟包的大家也在做，也有一些創(chuàng)新。大家嫌18650太小，把它變長、變粗，變成21700。各有各的特點，車子做了不少。18650做的，軟包做的，這個更緊密一點，方殼電池做起來的電池包。國家做了一些標(biāo)準(zhǔn)老推不下去，是因為尺寸太多了，想把尺寸減下來，各有各的說法。很多年前我們想，除了在北京做材料研究，我們在這附近幾十公里的南沙在做工藝和裝備的平臺，想改變電池的設(shè)計。這里面做的事情可以給大家匯報一下。方殼電池，因為對動力電池來講，方殼電池還是占最大的比例，不管其他的同行有多少不同的意見，我個人仍然認(rèn)為方形鋁殼的電池具有最強(qiáng)未來的競爭力，我想在液體的鋰離子電池這段，將來到固體再講固體的事情。
大家普遍喜歡卷繞結(jié)構(gòu)，國外比較多的是兩頭傳件的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)比較多的是一頭的雙接餌的結(jié)構(gòu)，純接餌的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流和導(dǎo)熱效果會更好，制作的過程更復(fù)雜。國內(nèi)多采用一頭的兩個窄接餌的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流、導(dǎo)熱會差很多。不信可以看看它的電池，拿紅外的相機(jī)拍一下，那個地方是最大的。看到這些問題，就想到創(chuàng)新，我們推疊片的結(jié)構(gòu)，為什么推疊片結(jié)構(gòu)？因為環(huán)繞在兩側(cè)還是有硬傷，可靠性在長期壽命這邊還是有缺陷。疊片大家都知道，在設(shè)計上要考慮，正極電導(dǎo)比較低，就要采取寬的接餌，把它整個跟客體焊成一體，解決它的導(dǎo)流、快速導(dǎo)熱。負(fù)極是因為純的電導(dǎo)本來就很高，涂上石墨，電導(dǎo)更高，半接餌就能解決問題。這樣做下來，你工作的電池就找不到熱點，就接餌那個地方不再是一個熱點。還有一個好處，熱可以快速的導(dǎo)出來，導(dǎo)出來之后可以做非常致密的Pack結(jié)構(gòu)，這種Pack結(jié)構(gòu)的好處是熱靠金屬給它導(dǎo)出來。咱們學(xué)過初中物理就知道，氣體導(dǎo)熱是最慢的，軟包拿小風(fēng)扇搖，不會很快導(dǎo)熱，液體的稍微好一點。但是最有效的是金屬固體的導(dǎo)熱。把它做成有效的設(shè)計，就做成致密的Pack結(jié)構(gòu)，就可以和它比能量密度，現(xiàn)在在很多應(yīng)用的時候，這對很多車輛無疑是重要的。但是三元和磷酸鐵鋰還是咬著。大家都講三元，所以我每次在會上都要講幾句話。在比能量上，Pack的水平上，兩者基本上不分高低，不信就看公告。體積能量密度上，我終于找到了一個機(jī)會，我就跟軟包的22WH三體比Pack的密度，今天拿90AH的電池比，比它高40%多。所以說密度上你是可以贏過它的，所以做鐵鋰的人還可以高一點。
隨著負(fù)極技術(shù)的進(jìn)步，今天商品化鐵鋰的單體是180，整車的電池包是150，我想很快會奔著160、170去，還有進(jìn)步的空間。這是講的材料技術(shù)的進(jìn)步。制造這塊也有進(jìn)步的機(jī)會。
雖然我還沒有看展會，買各種設(shè)備的都有了，今天怎么突破，最后做出電池，這里面有沒有可變的空間？我們也在思考這種問題。很多人不愿意做疊片，主要是覺得卷繞容易，切片很麻煩，怎么解決切片問題？差不多5年前就在思考一個辦法，機(jī)械式的切片，磨損很厲害，噪音很大，塵土飛揚(yáng)，這個問題怎么解決？工研院開發(fā)了激光的飛切技術(shù)，激光是一束光，做成需要切割工件的形狀。這樣做下來的結(jié)果，你可以快速的運(yùn)轉(zhuǎn)，你不需要停頓的情況下，一片、一片切下來，所以現(xiàn)在是一分鐘切200片，而且沒有噪音。毛刺非常少，而且不需要每切10萬片就修一次毛刺。這個技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，運(yùn)作得非常之好。
焊接，這是另外一個激光技術(shù)。過去激光頭是聚焦在焊點的位置，現(xiàn)在要讓它擺動起來，過去聚焦到一個位置，你稍微有點偏，你的焊接效果就會比較差。擺動起來不僅僅讓它有一定偏差還可以焊接好，更多的還是有擾動效應(yīng)。我后面會講這個結(jié)果。能夠減少氣孔。這種焊接的技術(shù)用到全自動的焊接上，它用到這種設(shè)備上面就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的質(zhì)量，更少的氣孔。這是拿CT做的。同樣在工研院的平臺上，我們可以看到有這種精密的分析設(shè)備，可以分析到焊接的效果，也可以分析到電池的結(jié)構(gòu)，在北京有更多的分析設(shè)備，現(xiàn)在開放給行業(yè)服務(wù)。歡迎大家一起努力，我們能夠把電池做得最好。
一定是安全第一，壽命第二，其他的東西往后擺。這是我想和大家分享的內(nèi)容。謝謝大家！
提問：關(guān)于硫化加鋰，鋰放上去上面還是有一部分硫，對你的自放電有沒有影響？
黃學(xué)杰：碳酸脂里面硫的溶解度很低，第一周過去以后，硫留在正極里面了。
提問：你能不能評價一下后電極，現(xiàn)在100個微米到150微米以上，你一直談怎么增加容量，現(xiàn)在我把電極做厚一點？
黃學(xué)杰：這有兩個條件，一是倍率和低溫性能能滿足應(yīng)用的要求。二是你這個極片厚了以后還有足夠好的質(zhì)量。三是做卷繞的人不能做厚電極，因為做厚電極一定是疊片。
提問：您的激光切割，以前公司的激光切割有很大的問題，激光把底下的金屬片熔掉，就會在岔口上有融的小珠子。
黃學(xué)杰：這是過去的激光，波長比較長，頻率比較低。現(xiàn)在波長越短、頻率越高，熱效應(yīng)基本上就不明顯了。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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