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“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目介绍

2016-11-21

储能科学与技术 2016年6期
关键词:高能量电芯锂电池

李 泓



“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目介绍

李 泓

(中国科学院物理研究所,北京 100190;“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目组)

2015年科技部组织编制了新能源汽车试点专项实施方案并于11月12日发布了2016年项目指南,共支持19个项目,其中“1.1”为动力电池新材料新体系。通过竞争,中国科学院物理研究所牵头申请的“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目,与北京大学牵头申请的“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究项目”共同获得了支持。本文介绍了“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目的目的和意义,研究目标,研究内容,技术指标,课题安排,研究基础,研究挑战和预期效益。

高能量密度锂离子电池;半固态锂硫电池;固态锂空气电池;电动汽车

2015年,国家科技部发布了“新能源汽车”试点专项2016年度第一批项目申报指南,该专项总体目标是深化实施新能源汽车“纯电驱动”技术转型战略;升级新能源汽车动力系统技术平台;抓住新能源、新材料、信息化等科技带来的新能源汽车新一轮技术变革机遇,超前部署研发下一代技术;到2020年,建立起完善的新能源汽车科技创新体系,支撑大规模产业化发展。

2016年试点专项首批在6个技术方向启动了19个项目。在“动力电池与电池管理系统”方向,包括了“1.1”动力电池新材料新体系,该项目为基础前沿类项目。指南确定的考核指标为:新型锂离子电池样品能量密度≥400W·h/kg,新体系电池样品能量密度≥500W·h/kg。项目支持年限为:2016.6.1-2021.5.31。

针对项目“1.1”,中国科学院物理研究所牵头组织申请了以“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”为题目的项目,通过形式审查、函评、视频答辩等竞争性申报环节,最终获得了支持,经过两轮预算审核,该项目确定国拨经费为3200万元。项目批准号为2016YFB0100100,下文介绍该项目的主要构想和研究内容。

1 项目目的和意义

提高动力电池电芯能量密度,有利于提高电动汽车续驶里程,显著降低成本、延长使用寿命。以北汽EV200电动汽车为例,保持现有电池包体积(220L)和每吨百公里电耗不变,电芯能量密度提高到400 W·h/kg(800W·h/L)后,一次充电可以续航620公里,远高于目前采用180W·h/kg电芯,续航里程200公里的水平。该项目提出的电池能量密度如果能够实现,将彻底克服目前电动汽车与燃油车续航里程之间的较大差异,对于推动电动汽车发展将起到十分关键的作用。动力电池的技术指标要求在各类储能应用中相对较高,发展高能量密度动力电池技术还将有利于提升智能电网、能源互联网、分布式能源、消费电子、航空航天、国防安全等领域电池应用的水平。

作为国家新能源汽车动力电池全链条整体布局的一个重要环节,本项目的任务是在产业链最前端开发高能量密度新型电池,深入理解高能量密度电池关键基础科学问题,提供创新的关键技术解决方案,为中国企业同步开发300 W·h/kg电芯提供重要参考依据和指导意见。

“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”研发团队将在该项目中,通过系统扎实的合作研究,共同承担挑战电池极限能量密度的任务,通过完成本项目,完善我国在下一代高能量密度锂电池前沿研究的战略布局,显著提高我国电池技术核心竞争力,为最终实现我国在下一代电池技术上的优势地位奠定基础。

2 项目总体目标

本项目主要目标是提供高能量密度锂离子电池和新电池体系的科学与技术解决方案。本项目提出研究三种电池,其中锂离子电池能量密度达到400W·h/kg,半固态锂硫电池能量密度达到500W·h/kg,固态锂空气电池能量密度达到600W·h/kg。

3 项目主要研究内容和主要技术指标

本项目将利用中国科学院物理所正在建设的世界先进水平的互联互通惰性气氛电池材料综合分析平台(CAFFES)及中国科学院苏州纳米所正在建立的真空互联电池研究平台(Nano-X之电池平台),通过发展先进的原位和非原位表征技术,研究关键电池材料从原子尺度到宏观尺度的晶体结构、电子结构、动力学、界面特性随充放电过程中的演化规律及失效机制;发展和优化高性能、低成本的新型电池材料、电极、电芯及模块的设计、制造和应用技术;通过电极与电池动力学研究,建立电池极化模型,发展适用于三类电池的先进电源管理技术;研究并建立高能量密度新型锂电池体系的安全性、环境适应性应用标准。

本项目设立8个课题,具体见表1。

表1 本项目课题基本情况

每个课题的具体技术指标见表2。

表2 每个课题的具体技术指标

各课题间合作关系如图1所示。

4 项目拟解决的关键科学与技术问题

围绕项目的总体目标和技术指标,提出了本项目拟解决的23项科学与技术问题:①提高纳米硅碳负极材料循环性、倍率特性的技术;②提高富锂锰基复合正极材料循环性、倍率特性、抑制电位衰减的技术;③400W·h/kg 锂离子电池的实现及综合技术指标的提升技术;④提高硫碳纳米复合材料电化学活性的新途径和新技术;⑤大面积固体电解质双面保护金属锂的制备技术;⑥500W·h/kg 半固态锂硫电池循环性、安全性、倍率特性的提升技术;⑦空气正极高容量、低极化、长循环实现的科学基础;⑧双功能电催化剂的固相催化反应机理;⑨复杂气固体系的离子、电子、气体输运机制;⑩高能量密度固态锂空气电池的设计与实现;⑪5 V高安全锂离子电池电解液的分子设计及其实现;⑫低界面电阻、高稳定性的SEI 膜成膜添加剂技术;⑬高浸润、高离子电导、高安全的锂硫电池电解液;⑭空气中稳定的锂空电池离子液体添加剂;⑮高稳定性固体电解质材料与聚合物基材的选择;⑯大面积离子导体涂层隔膜的均匀快速制备工艺;⑰新一代电池体系中的固固与固液界面的反应、输运、电位分布问题;⑱新一代电池体系中的SEI 膜生长机理、影响因素、稳定性、控制策略等;⑲充放电过程中电极材料表面到体相的晶体结构与电子结构演化;⑳高能量密度锂离子、锂硫、锂空电池的失效机制;时间分辨透射电镜、原位球差电镜、变温中子衍射用于锂电池研究的实验技术;高能量密度锂离子、锂硫、锂空气电池极化机理分析及模型的建立;宽电压范围电池能量密度高效利用的电池管理技术。

5 项目团队及研究基础介绍

本项目承担单位包括中国科学院的11家单位,分别是物理研究所、宁波材料技术与工程研究所、化学研究所、大连化学与物理研究所、金属研究所、长春应用化学研究所、福建物质结构研究所、过程工程研究所、理化技术研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、电工研究所以及北京新能源汽车股份有限公司共12家单位。研究团队涵盖动力电池、正极、负极、隔膜、电解液、添加剂、锂硫、锂空、仿真、模拟、电动汽车等专业方向。

在承担本项目之前,本项目研究团队基本掌握了纳米硅碳、富锂锰基、离子导体涂层隔膜、5 V电解液、固体电解质、石墨烯导电涂层等多种关键材料的核心技术;已经研制出能量密度达到375 W·h/kg的24 A·h锂离子电池,室温能量密度达到565 W·h/kg的37A·h液态电解质锂硫电池,室温能量密度达到526 W·h/kg的5A·h液态电解质锂氧气电池。研究团队在电源管理与动力学分析方面拥有20余年的经验,拥有国内最先进的电池综合分析测试平台CAFFES与Nano-X;北京新能源汽车股份有限公司(北汽新能源)为国内纯电动汽车销量第一单位,并拥有先进的电池安全与环境适应性综合测试平台。中国科学院研究团队自2013年起在科学院战略先导专项项目“变革性纳米产业技术聚焦”内开展了合作,并在2015年4月与北汽新能源启动了战略合作,拥有良好的合作基础。各团队在各自研究方向上已与国内领先的材料、电芯、电源管理、模组、汽车企业建立了实质性合作关系,并和国内外研究机构和团队建立了良好的互动交流与合作关系。

6 技术挑战与风险

截止到2015年底,量产18650型锂离子圆柱电芯的能量密度为265W·h/kg, 软包锂离子电池电芯为180~200W·h/kg, 按照科技部及工信部要求以及企业研发水平,多数领先企业制定的开发目标为2020年动力电池电芯达到300 W·h/kg、600W·h/L。科技部指南和本项目提出的技术指标将电芯能量密度在现有基础上提升了1~3倍。按照过去25年量产锂离子电池能量密度提升发展的速度,预计2030年电芯能量密度才能达到390 W·h/kg,显然无法完成指南提出的400W·h/kg和500 W·h/kg的技术指标,需要全面的突破性创新技术。目前下一代锂电池技术路线存在着多种选择,如何选择合理的技术路线,准确理解其中涉及的科学问题,确定核心技术及解决方案是研发成功的关键。

为了降低技术风险,减少技术路线选择的不确定性,本项目确定的技术路线及材料体系的选择是基于系统的热力学计算以及工程化计算,并结合实际的研究结果。目前,我们研制的锂离子电池和锂硫电池、锂空气电池已经基本实现了2016年指南提出的电芯能量密度的技术指标要求,因此本项目重点解决高能量密度电芯的循环性、安全性和功率特性,优化电池材料结构、组成、工艺,优化电极与电芯设计以及化成工艺,深入准确理解新型电芯中的基础科学问题,掌握电芯失效机制,以及高能量密度电芯的安全性问题,从而逐渐理解挑战电化学储能极限时遇到的科学与技术问题。

目前项目承担单位在第三代锂离子电池、锂硫、锂空气电池方面具有较好的研究基础,拥有先进的锂电池基础科学与应用开发实验平台,研究团队成员与国内外锂电池研究团队、锂电池材料与电芯制造企业以及汽车企业保持着密切的合作关系。项目启动后,基于项目研究成果和进展,将经常邀请项目内外专家学者及电池企业充分交流与合作,在研究过程中强化优势技术,及时调整不合适的解决方案,尽量降低完成本项目的技术风险。

7 项目预期效益

动力电池是电动汽车的关键核心组件之一,高能量密度锂电池技术是未来电池发展的重要方向,挑战动力电池能量密度极限也是研究机构的主要研发目标之一。通过本项目的实施和团队联合攻关,有望加快新一代锂电池材料及器件技术研发,获得关键材料的结构演化机制和性能改善策略,深入理解关键电极材料及其反应过程、反应动力学、性能演变等基础科学问题,掌握电池极化模型和仿真设计方法,发展电极微结构和电极表界面的原位表征方法,提高动力电池安全性与环境适应性,最终突破400 W·h/kg 锂离子电池、500W·h/kg 半固态锂硫电池、600 W·h/kg固态锂空气电池的项目目标。目前,我国动力锂离子电池核心技术与日韩国家相比尚有一定差距,本项目的研发成功将有利于完善我国在下一代高能量密度锂电池技术方面的战略布局,显著提升我国未来在高能量密度电池的核心竞争力,为最终确立我国在下一代电池技术上的优势地位奠定基础。在此基础上促进动力电池产业升级,因此具有十分重要的科学、技术、社会、经济方面的意义。

Project “High energy density lithium batteries for long range EV”

(Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)

Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (MOST) initiates national new energy vehicles pilot project in 2015 for next 5 years. Totally 19 projects are announced in 2016. The project 1.1 is a 5-year fundamental research type project (2016—2020) with a 32M¥ budget,aiming to increase the energy density of EV batteries. Two targets are purposed: 400 W·h/kg for Li-ion batteries and 500 W·h/kg for new batteries. After 3 rounds review and defense, a team led by Institute of Physics, CAS wins the project. The title of the project is “High energy density lithium batteries for long range EV”. Scientific problems and technologies of three types batteries will be studied: 400 W·h/kg lithium ion batteries, 500 W·h/kg half-solid Li-S batteries and 600 W·h/kg solid Li-air batteries. This project includes 11 CAS institutes and one company BJEV as partners.

high energy density Li-ion batteries; half-solid Li-S batteries; solid-state Li-air batteries; electric vehicles

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0069

TM 911

A

2095-4239(2016)06-915-04

2016-08-30;修改稿日期:2016-09-02。

国家重点研发计划项目(2016YFB0100100)。

李泓(1970—),男,研究员,研究方向为锂离子电池、固态锂电池、失效分析,E-mail:hli@iphy.ac.cn。

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