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吴锋:以创新反抗熵增,生长新型绿色智能二次电池:亚博游戏娱乐

  • 产品时间:2022-06-02 00:14
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简要描述:2020年9月27-30日,第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开,本次大会以“共克时艰、跨界协同、互助共赢”为主题,为进一步增强国际交流与互助,加速突破新能源汽车市场化障碍,加速推进“电动化、智能化、共享化”融合生长,由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监视治理总局配合举行。其中,在9月29日上午举行的“新能源汽车技术创新与跨界协同”全体大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋揭晓精彩演讲。...

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本文摘要:2020年9月27-30日,第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开,本次大会以“共克时艰、跨界协同、互助共赢”为主题,为进一步增强国际交流与互助,加速突破新能源汽车市场化障碍,加速推进“电动化、智能化、共享化”融合生长,由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监视治理总局配合举行。其中,在9月29日上午举行的“新能源汽车技术创新与跨界协同”全体大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋揭晓精彩演讲。

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2020年9月27-30日,第二届世界新能源汽车大会在海南省海口召开,本次大会以“共克时艰、跨界协同、互助共赢”为主题,为进一步增强国际交流与互助,加速突破新能源汽车市场化障碍,加速推进“电动化、智能化、共享化”融合生长,由中国科协、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监视治理总局配合举行。其中,在9月29日上午举行的“新能源汽车技术创新与跨界协同”全体大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋揭晓精彩演讲。2020年9月27日-30日召开的2020世界新能源汽车大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋揭晓了精彩演讲,其主要内容与看法如下: 1.二次电池是当前国际研发烧点,国际动力电池市场竞争猛烈,面临“洗牌”危机;中国动力电池总体产能过剩,优质产能不足。2.团队建立二次电池新体系,接纳轻元素、多电子、多离子反映体系实现电池能量密度跨越式提升,打破了单电子反映(n=1)的思维定式,研制出能量密度为651 Wh/kg的锂硫电池。

3.团队生长了新一代动力电池的共性技术,包罗:阴阳离子协同电荷赔偿机制与相关质料技术、电池宁静技术、长寿命柔性电池技术、反映界面构建与调控技术、电池接纳技术、低成本电池质料与技术。4.未来动力电池的主要生长偏向为:使电池系统寿命靠近单体寿命;实现电池系统从模拟到数字的创新;生长智能电池,研发自主供电传感器系统和半导体化的电池单体。

5.新型二次电池面临新的挑战,企业要反抗熵增,实现逾越,须做出颠覆性创新,瞄准市场形成工业链,才气长盛不衰。随着焦点技术的不停突破,新型绿色智能二次电池将迎来越发优美的明天。以下内容为现场演讲实录: 尊敬的万钢主席,尊敬的陈清泰理事长,尊敬的列位向导,列位来宾,大家上午好!我今天是第一个讲话,属于抛砖引玉。

我要讲的主题是:动力电池及其关键质料的研究与展望。大家知道二次电池是当前国际竞相研发的热点,已成为新一代信息通讯、电动汽车、储能电站与能源互联网等重大应用的关键环节。

2013年美国麦肯锡全球研究所提出的12项改变世界的颠覆性技术陈诉中,就有4项与其相关。在国家相关的计划当中都明确提出了重点支持动力电池关键质料、电芯系统等技术研发,并将提升电池能量密度作为关键指标。昨天一些专家的陈诉里也讲了,实际上电动汽车从发现到现在100多年了,它其时衰落的主要原因之一就是,它的续航里程很难和燃油车相比,其时用铅酸电池只能跑不到100公里。

大家知道2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池,其时的获奖词是“重量轻,可充电的锂电池现在被用于得手机、条记本电脑、电动汽车等等领域。它还可以储存大量来自太阳能和风能的能量,使一个无化石燃料的社会成为可能——缔造了一个可充电的世界。”锂离子电池问世以后,特别是将它用于电动汽车以后,对于电动汽车的生长无疑起到了一个很重要的作用。

请看屏幕上这张照片,中间这个是美国的海姆教授,也就是2019年诺贝尔化学奖的获得者。每次开中美的集会他都到场,这张照片是我的博士生和他一起照的,我们以为现在离诺贝尔奖越来越近了。固然大家也知道动力电池竞争猛烈,面临着“洗牌”危机。2019年全球动力锂离子电池装机量为112.6 GWh,现在日韩动力电池企业装机量是50.4 GWh,占比44.8%;中国动力电池企业装机量是62.2 GWh,占比52.2%。

值得注意的是,在中国的62.2 GWh中,前十家企业的装机量就到达了54.65 GWh,只剩下7 GWh由另外几百家企业在竞争。所以中国的动力电池是总体产能过剩,优质产能不足。为了使电池能够更好满足于新能源汽车的要求,我们需要建立二次电池的新体系。

我们的团队一连三期主持国家“973”项目,从2002年开始到2019年12月结题,举行了17年的研究。这期间,我们团队率先提出接纳轻元素、多电子、多离子反映体系实现电池能量密度跨越式提升的学术思想,打破了单电子反映(n=1)的思维定式。

我们在2002年提出多电子反映,其时提的能量密度指标是300 Wh/kg,固然这是研究指标,不是工业化指标。可是其时美国和日本的USABC和阳光计划内里的能量密度指标划分是150和200 Wh/kg,固然我们的指标是基于多电子的新体系上建设的。

到了第二期“973”项目,我们推出轻元素多电子反映,能量密度就到达了350 Wh/kg。第三期是轻元素多电子多离子反映,我们现在所做的新电池能量密度已经到达了651 Wh/kg。屏幕上显示的是一个多电子高比能锂硫电池。硫的泉源很广泛,硫黄如果作为原料的话就很自制。

可是这内里有许多问题,包罗穿梭效应等,所以我们在这引入氧化还原介质观点,提升界面反映动力学特性;引入沉积骨架观点,捕捉多硫离子,沉积再使用。关键是要通过隔膜正极侧界面的设计提高活性物质的循环稳定性,因为穿梭效应影响了它的循环稳定性。在负极侧是金属锂,容易发生宁静问题。所以我们设计了隔膜负极侧人工层,用来稳定金属锂的界面。

在电池研究中,“界面”问题是大家越来越关注的问题,包罗以后的固态电池也同样存在界面问题。联合适才说的硫正极、功效隔膜、金属锂的修饰技术,构建了高比能锂硫电池体系,这是一个两电子的体系。我们接纳模块组装模式构筑微米级的超结构,研制出能量密度为651 Wh/kg的锂硫电池,并通过第三方检测。我想说的是,现在锂硫电池的宁静性大家都十分关注,这就有待于电池来解决宁静性问题。

解决方案第一是把它固态化;第二是提升它现在还不够高的体积能量密度,这个要通过在负极对金属修饰来举行革新,现在也已经有比力大幅度的提升;第三是循环寿命,现在我们也都在接纳一些新的方法。现在锂硫电池也是美国以及其他各国关注的一个电池体系,它现在已经用在了无人机上,可是对于电动汽车我以为另有许多事情需要做,可是路是可以走通的,后面另有许多问题需要解决。我们团队生长了新一代动力电池的共性技术,这里主要是指新一代锂离子电池,包罗下面六个方面。

第一方面是阴阳离子协同电荷赔偿机制与相关质料技术。原来我们讲锂离子电池是单电的反映,我们通过在正极侧引入多元元素,特别是负离母极的铸件,通过原位的拉曼光谱可以看到氧到场了其中,所以锂离子电池已经由单原子反映向多原子反映过渡。已往日本的锂离子电池极限能量密度可以到达250 Wh/kg,现在我们许多企业都已经做到了300 Wh/kg,有一些单元还做到了400 Wh/kg,就是因为这内里反映机制变了。正极质料能量由于它的多电子反映,现在能量密度也可以到达300或400 Wh/kg,这个是容量,所以电池极限能量密度能够到达350—400 Wh/kg。

第二方面是电池宁静技术。昨天许多人都提到关注宁静技术,一些专家也讲到宁静技术是下一步生长动力电池的一个前提,所以宁静技术固然许多就落在电池头上,一有宁静就是电池爆炸起火。我们这17年来围绕宁静问题做了许多事情,我们生长了三种具有智能识别功效的宁静型电极质料和不燃或者难燃的电解液,而且建设了电压敏感隔膜,就是提高电池本征宁静性的机制。

另外我们还提出了建设电池系统宁静阈值界限控制与识此外方法,在这个基础上衍生出电池系统的宁静度评价模型,与实时监控的体系,为解决动力电池规模应用提供了技术支持。第三方面是长寿命柔性电池技术。

我们通过低应变电极质料构建柔性的反映界面,设计有效的分形电极结构,基于外貌修饰的对称型电池,循环寿命到达25000次。第四方面是反映界面构建与调控技术。因为现在许多人对快充提出了要求,所以我们也生长了兼具能量密度的高功率电池新体系,通过电极外貌的结构和界面功效调控,提升了功率特性;通过电极历程的活化调控,建设了兼具能量密度、高功率电池新体系;通过单元点活化、双位点耦合、双功效催化、增强吸附,实现了复合质料电池的功率密度3000 W/kg,同时能量密度到达122 Wh/kg。

第五方面是电池的接纳技术。随着电池用量的不停增大,特别是以后储能电池用量急剧增加,在电池接纳方面已往一直是接纳有机的体系,就是天然有机酸,而不用传统的这种硝酸、盐酸,这样制止了在再生历程中的二次污染。

天然有机酸的浸出率不低于传统的硝酸盐酸,硝酸就是一价盐酸,天然有机酸实际上不是一价的,是多价的,所以它的浸出率是高于盐酸的。第六方面是低成本电池质料与技术。大家现在对成本也很是敏感,现在大家都在加紧研究的是钠离子电池,我们提出的是钠离子电池在富钠质料中,同样看到了氧的到场。

实际上钠离子电池也有可能成为一个多电子体系,这样的话它的能量密度就有提升的空间。我想如果把钠离子电池做成水性的电池,而且成本低于每瓦时3毛钱的话,它将有一个很是广泛的生长空间。

关于未来的技术展望,一共有三方面。第一个展望就是如何将电池系统寿命做到靠近单体寿命?现在锂离子电池不停更新换代,下一步的电池到底是什么?固然我们可能在电池质料体系方面还会做一个很大的更新,在电池的制备体系还会做一个很大的改变。已往万主席常对我说,你们这个能不能变一变。

我们也一直在想,一直没敢懈怠。我们新能源汽车将成为能源互联网的一个焦点单元,电池作为其中一个关键电化学能源转换和存储的器件,从发现200多年以来,一直接纳牢固并串联的系统组成方式,放大了电池单体的差异性和非线性。

由于它牢固的串并联使它的差异性变大,造成电池系统的短板效应,进而造成效率、成本、可靠性和宁静性等应用问题。现在电池系统循环寿命远低于单体的循环寿命,如何从基础上克服短板效应,将系统寿命做到靠近单体寿命。第二个展望就是电池系统从模拟到数字的创新。现在的电力电子器件已经可以在纳秒级离散化一个数百安,上千伏的能量流,进而接纳数字信号处置惩罚的手段对离散化数字化的能量流举行信息化处置惩罚,消除能量发生和使用中的不确定性和非线性。

就电池系统而言,可以将电池单体容量首先举行“花样化”,使其成为一组“能量片”,通过接纳信息系统与能源系统深度融合的能源互联网模式,数字储能技术将互联网屏蔽终端差异性的技术引入到电池系统,将传统的刚性串并联毗连转变为法式控制的柔性毗连,从而消除电池单体之间的差异性,实现电池系统从模拟到数字的创新。第三个展望是智能电池的应运而生。大家昨天讲现在都在走向数字化,我想电池也是如此。所以在能量信息深度融合的大配景下,电池行业将会有以下的生长趋势。

一个是5G时代需要大量的自主供电传感器系统,另外一个就是电池单体的趋势是半导体化。如果固态电池和电容可以接纳半导体工艺制备,获得的DRAM的电池芯片,这将极大的提升终端的供电能力支持半导体工艺,即储能器件的半导体化。

电池单体在生产历程中将与信息系统精密耦合形成数字电池即智能电池,类比于磁盘到硬盘的厘革,将开启二次电池数字化的新的飞跃。我们的“973”项目团队包罗北京理工大学、中科院物理所、武汉大学、厦门大学、清华大学、南开大学、吉林大学等。

能源革命悄然邻近,我们已经身处其中,光伏、风电、储能、新能源汽车平分布式能源的生长,将极大地改变全球能源的生产、传输和消费方式,将会大规模改变人类生活甚至地缘政治格式。新型二次电池作为能源转化与存储的重要环节,面临着重要的挑战,要从基础研究和新质料、新技术、新工艺入手,特别要注意具有颠覆性的创新,做到人无我有,并形成工业链,瞄准市场才气使企业长盛不衰。

然而创新不是炒作,不能急功近利,否则就会是昙花一现,工业取决于市场,不能拔苗助长,否则就会是过眼云烟。吴国顿说“如果物理学只能留一条定律我会留熵增定律”,爱丁顿说“熵增原则是自然界所有定律中至高无上的”,薛定谔说“人在世就是在反抗熵增定律,生命以负熵为生”。今天的人、企业和社会也是如此,如何反抗熵增,实现逾越?需要系统开放、智能化和有外力做功的清洁能源,随着焦点技术的不停突破,新型绿色智能二次电池将陪同我们迎来越发优美的明天。

谢谢大家。(注:本文凭据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)。


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