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我國鋰電產(chǎn)業(yè)四大挑戰(zhàn)
日期:2022-11-10   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:yutianyang_tsj 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
11月9日,在中國(遂寧)國際鋰電產(chǎn)業(yè)大會暨新能源汽車及動力電池國際交流會上,中國科學(xué)院院士、廈門大學(xué)教授孫世剛表示,我國鋰電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的發(fā)展面臨著資源、能量、安全、使用環(huán)境等四方面重大挑戰(zhàn)。


首先是資源的消耗。據(jù)孫世剛介紹,目前,生產(chǎn)1KW鋰離子電池要使用用0.5kg鋰,根據(jù)美國地質(zhì)勘探局最新的調(diào)查數(shù)據(jù),世界金屬鋰的儲量為1350萬噸左右(鋰資源儲量總計約3950萬噸),僅可用100多年。我國鋰資源在全球排第六,資源以鹽湖為主,鋰含量低,鎂鋰比高,提取難度大,70%的鋰依賴進(jìn)口,而預(yù)計到2025年我國鋰電產(chǎn)能將達(dá)到約3900GWh,預(yù)計需要約39萬噸鋰金屬。

其次是現(xiàn)有鋰離子電池能量密度已經(jīng)接近理論極限。“電池的能量密度與電池的原理有關(guān),比如鋰離子電池的能量密度跟反應(yīng)電子束、活性物質(zhì)的重量和密度都有關(guān)系,”孫世剛說,“目前的鋰離子電池的能量密度是接近了天花板。”據(jù)了解,目前主流的磷酸鐵鋰電池的能量密度在200Wh/kg以下,三元鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg之間。鋰離子電池的能量密度遠(yuǎn)不能滿足重大發(fā)展的需求,限制了多場景的應(yīng)用。要提高無人機(jī)等裝備的航速和航程,都需要大幅度提高電池的能量和功率密度。

孫現(xiàn)有鋰離子電池面對的挑戰(zhàn)還包括安全事故多發(fā)。鋰離子電池容易發(fā)生電池?zé)崾Э?,通常的原因包括過充誘發(fā)電池正極材料產(chǎn)氣使得電池脹裂,快充導(dǎo)致電池負(fù)極析鋰誘發(fā)短路,以及快充快速升溫從而使電解質(zhì)液體燃燒。

最后是電池使用環(huán)境受限。在低溫環(huán)境中,鋰離子電池的電解液黏度會變大,離子遷移速度變慢,充放電能量急劇衰減。高溫狀態(tài)下,電池正負(fù)極界面膜不穩(wěn)定,導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞,產(chǎn)氣易爆。而在深空、深海等應(yīng)用場景,都需要電池具有更高更寬的溫度范圍。

因此,針對資源、能量、安全、極端環(huán)境的四大挑戰(zhàn),孫世剛表示,從技術(shù)創(chuàng)新的角度,需要在材料、界面、傳輸、系統(tǒng)等四個層面予以解決。

首先提升電池體系的能量密度,包括構(gòu)建高容量高電壓正極,高容量低電壓負(fù)極。正極材料的選擇上,將由鈷酸鋰到磷酸鐵鋰,到高鎳三元材料,最終往硫、氧元素方向發(fā)展。在負(fù)極材料的選擇上,由現(xiàn)有的石墨,到硅,最終往鋰金屬發(fā)展。不過,使用鋰金屬負(fù)極和高電壓正極也會帶來安全性的問題。“以鋰金屬負(fù)極來說,鋰的理論比容量很高,能夠達(dá)到3000mAh/g,但是使用中容易形成鋰枝晶刺穿電池隔膜,形成電池短路。而正極的高壓高比容量材料不穩(wěn)定,高電壓電極材料結(jié)構(gòu)容易破壞,同時造成電解液分解。

孫世剛說,對于鋰金屬,不光是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,業(yè)界也做了很多試驗性嘗試,例如構(gòu)筑人工SEI膜,構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)金屬負(fù)極,調(diào)控鋰金屬電極和電解液的界面,從而提高電池的循環(huán)壽命。“終極目標(biāo)是加入添加劑,調(diào)控材料生長的過程,使它不長成枝晶,但這方面的研發(fā)非常難,需要大力發(fā)展下去。”而在正極材料方面,則需要通過調(diào)控層狀正極材料的表面結(jié)構(gòu),強(qiáng)化鋰離子傳輸過程,從而顯著提升鋰離子電池的能量密度和功率密度。

而為了進(jìn)一步地提高電池安全性能,目前的研究還包括強(qiáng)化鋰離子電池中的“三傳”過程,包括強(qiáng)化鋰離子傳輸通道,維持材料在微觀尺度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;強(qiáng)化電子傳輸通道,維持電極和電池的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);強(qiáng)化電池?zé)醾鞒觯种齐姵責(zé)崾Э亍?br />
在下一代鋰電池的路線上,孫世剛介紹了鋰硫電池,鋰-空氣電池、鋰-氟碳電池等技術(shù),而在對下一代非鋰電池的展望中,鈉離子電池也被孫世剛看好。鈉在地球上儲量排在第六位,具有與鋰相似的化學(xué)性質(zhì),但由于鈉原子半徑更大,電化學(xué)勢比較低,鈉離子電池能量密度上與鋰離子電池相比有先天劣勢。鈉離子電池的發(fā)展需要在儲鈉新材料、新型電解液方面有所突破。

“目前一些傳統(tǒng)的負(fù)極硬碳材料已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,正極的層狀氧化物、普魯士藍(lán)材料也進(jìn)入市場。但鈉離子電池要進(jìn)一步提高性能,降低成本,要能夠像鋰離子電池一樣實現(xiàn)大規(guī)模利用。”孫世剛說。

原標(biāo)題:我國鋰電產(chǎn)業(yè)四大挑戰(zhàn)
 
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來源:鋰電派
 
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