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12月9日，国轩高科第七届科技创新大会在合肥召开，中国工程院院士吴锋、郑绵平，中国科学院院士成会明、孙世刚分别围绕动力电池进行了主题演讲，对世界锂电池技术路线走向、高比能电池实现途径等问题进行了深入探讨并提出了可行性建议。 01 吴锋院士：新型二次电池及其关键材料研究进展  中国工程院院士、北京理工大学教授吴锋 二次电池的应用要求是数量级的，因此发展高性能的清洁二次电池成为人们的共识。随着人们对电动汽车续航里程等要求的不断提高，希望与压力也同时放在了动力电池的身上，在看清动力电池重要性的同时，也要斟酌一些产业化指标的实现途径。尤其是作为关键指标的电池能量密度，如何在提升比能量的同时兼顾安全性、循环性、倍率等指标，这需要企业在进行技术创新和研发过程中有所侧重。  973研究项目从2002年开始到现在已经有三期，该项目原定2017年结束，目前预计需要延期到2019年。该项目主要研究高比能的体系，从“轻元素、多电子反应”材料入手，结合多离子效应，发展高活性电极材料，构建高比能二次电池新体系；其次是兼顾高能量密度的高功率体系，其不仅可以应用于我国电力驱动汽车，还可以应用于电脑，因此研发团队希望通过多维多尺度电极材料界面功能的调控，实现电池的高能量和高功率密度。再次是安全性技术，研发团队从调节和切断电极反应的基元步骤入手，提高单体电池的安全性，通过探究电池的安全边界，提高电池系统安全性，通过对化成、注液等关键制备工艺和设备的升级改造，提高电池制造和使用的安全性；最后是在降低成本技术方面，通过对电池长寿命的研究和对废旧动力电池的绿色回收、资源化再生利用，来降低电池的使用成本。  在高比能锂离子电池与相关材料方面，要提高电池能量密度，材料要先行一步，研制出新型异质结构的高较容量材料，还有通过尖晶石皮肤层等构造及富锂材料在纳米尖晶石包覆后获得比容量和倍率性能上的双重改善；负极材料方面则以有机硅工业生产过程中产生的工业废料为原材料，通过导电聚合物包裹，实现硅纳米离子与导电的的柔性组装。 通过提出采用轻元素、多电子、多离子反应体系实现电池能量密度跨越式提升的学术思想，打破了单电子反映的思维定式，开拓电池材料的研究视野，通过多变量协同效应，实现能量密度的三步跨越。 到2020年废旧电池将达到17万吨，这让动力电池回收成为迫于眉睫的任务。回收的废旧电池正极材料还可再生，近两年研发出了天然琥珀酸的绿色高效回收技术，将废旧锂电池负极回收制备碳吸附剂的研究，磷吸附量高达588µg/g，是目前最高的碳类吸附剂之一，且处理污水后的吸附剂还可以直接作为土壤缓释肥使用，因此在这些方面探索动力电池的回收很有意义。 02 成会明院士：石墨烯在电化学储能领域的应用  中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究员成会明 完美的石墨烯具有非常好的性能，因此石墨烯被认为在众多领域有非常好的应用。但要想获得好的应用，最重要的是在成本不高的情况下获取高质量的石墨烯。石墨烯的制备有五种主要的方法，其中化学剥离和化学气相沉积的方法可以控制总量，成本相对来说可以节省。 石墨烯由于具有二维结构、超薄的特点，又具有高导电、高力学性能、大比表面积、易功能化、稳定性好等特征，因而可以在电池或其他器件里得到比较好的应用。它的应用方面包括活性物质、导电网络、催化剂、界面材料、基体材料等，应用的器件也不仅限于锂离子电池等金属电池，也包括超过电容器甚至柔性的储能器件。  以下是石墨烯目前的一些研究进展，目前尚未到应用的层面: 第一，在锂离子电池和超级电容器里面的应用。首先石墨烯可作为金属集流体的涂层材料，也可作为导电添加剂。此外，石墨可以做负极，石墨烯是不是也可以？经过研究发现石墨烯确实有很高的容量，但是不可逆容量也很高，应用效率很低，因而很难使用石墨烯做负极。但是石墨烯的高比表面积、丰富的官能团也有可能作为另外一种应用，就是与高容量材料进行复合或杂化，在早期的时候就想到能否将石墨烯与氧化物进行复合，利用石墨烯来抑制氧化物的团聚、体积变化和石墨烯的再堆叠，同时石墨烯也会形成很好的柔性的导电网络。 由于石墨烯有很多缺陷，氧化物很容易在上面形成均匀的氧化颗粒，从而提高性能和容量。它的结构形式也多种多样，合成也很简单，就是石墨烯溶液，将氧化物放进去，氧化物很容易合成，形成复合材料。 第二，石墨烯在锂硫电池的应用，目前这方面的研究很活跃。面对着低含量和低硫担载量的问题，石墨烯可以在改进锂硫电池方面发挥应用，比如说限域或者是化学结合的方式，也可以通过继承电极结构的方式进行相关的改进。 第三，石墨烯在储能里面的可能应用。石墨烯材料可用于各种不同的储能器件中，也可以起不同的作用，但是目前的研究发现，好像没有能够做到充电八分钟跑一千公里的可能性。 03 孙世刚院士：锂电池电极材料的结构设计性能调控和界面过程研究  中国科学院院士、厦门大学教授孙世刚 快速发展的电动车和规模储能对电化学能源提出了越来越高的要求，这里面很关键的因素是燃料电池的催化剂，可充放电池的材料。 电池材料结构方面，对于锂离子来说，一个是牵流，一个是转换，比如现在的电池负极材料利用的是石墨，商品化电池的容量比需求还是不够，需要新的材料，比如金属氧化物、硅等，这些材料用完以后带来的问题是一旦容量增加，这些材料就会体积膨胀，在放电以后体积会收缩，任何一个材料就会发生损坏，这是一个难点。 如果在负极材料结构设计形状的时候做成立方体、八边体，就可以有更好的性能，更好的循环稳定性。循环到200次以后还不衰竭，反而会增加，这和通常的材料是不一样的。 正极材料有很多种，需要其容量好、多电子反应、轻等，但其实正极材料的倍率性也很重要，因为这关系到它的锂离子传输情况、传输通道等。表面反应的时候通道力度如果大，可以更快的充进去放出来。开放的结构，锂离子很容易通过这个结构进去，从这个意义来说，这对于锂离子的传输有很大的影响。 锂电池里面除了正极材料和负极材料以外，各种材料之间的界面过程也很重要。从分子水平和微观机构参差认识电池的界面结构演变和反应过程，理性设计和调控电化学能源材料的结构是显著提升其性能的基础，这一点尤其重要。 04 郑绵平院士：未来锂资源的综合利用  中国工程院院士、中国地质科学院盐湖中心主任郑绵平 中国锂资源量分布，四川、青海、西藏占比总量的85%左右。中国的锂资源有几个特点：第一、集中度比较高；第二、类型多样；第三、均为多组分的综合性矿床。因此要注意综合利用。  对我国锂资源开发利用的建议：第一是从自然角度讲，要进一步加强锂资源调查评价和研究；第二是要加大对锂产业的支持力度；第三是进一步完善工艺；第四是加强科技研发，创新推动力资源加工技术和综合利用发展；第五是东西部联手。  科 普 动力电池，从概念到原理 一、若干重要概念 1、电压（V） ①开路电压：指电池在没有连接外电路或者外负载时的电压。开路电压与电池的剩余能量有一定的联系，电量显示就是利用这个原理。 ②工作电压：是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差,又称负载电压。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，必须克服内阻的阻力，故工作电压总是低于开路电压。 ③放电截止电压：指电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压（若继续放电则为过度放电，对电池的寿命和性能有损伤）。 ④充电限制电压：充电过程中由恒流变为恒压充电的电压。  电池充放电电压变化曲线 2、电池容量（Ah） ①定义：电池容量是指电池所能够储存的电量多少，容量是电池电性能的重要指标，它由电极的活性物质决定。 ②单位：容量用C表示，单位用Ah（安时）或mAh（毫安时）表示。 ③公式：C=It,即电池容量（Ah）＝电流（A）x放电时间（h）。 ④举例：容量为10安时的电池，以5安培放电可放2小时，以10安培放电可放1小时。 ⑤影响因素：电池的实际容量主要取决于以下几个因素：活性物质的数量、质量，活性 物质的利用率。 ⑥额定容量：在规定条件下测得的，由制造商给定的蓄电池容量。 ⑦可用容量：在规定条件下，从完全充电的蓄电池中释放的电量。 ⑧理论容量：假设活性物质完全被利用，蓄电池可释放的容量。 3、电池能量（Wh） ①定义：指电池储存的能量的多少，用Wh来表示 ②公式：能量（Wh）＝额定电压（V）×工作电流（A）×工作时间（h)。 ③举例：3.2V15Ah单体电芯的能量为48Wh，3.2V100Ah电池组的能量为320Wh。 电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标，容量不能决定做功的多少。 4、能量密度（Wh/Kg） ①定义：指单位体积或单位质量所释放的能量，通常用体积能量密度（Wh/L）或质量能量密度（Wh/kg）表示。 ②举例：如一节锂电池重325g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其能量密度为113Wh/kg，下表为理论值，在实际应用情况中需要考虑电池结构中的壳体、零件等各方面因素。 目前锂电池的能量密度是镍镉和镍氢电池的3和1.5倍，能量密度的高低是由材料密度与结构决定的。  5、功率与功率密度 ①功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为W或kW。 ②功率密度又称比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。 比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。 6、放电倍率（A） ①定义：放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（C）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。 ②举例：以10Ah电池举例，以2A放电,则放电倍率为0.2C，以20A放电,则放电倍率为2C。 7、充电方式 ①CC/CV：CC即恒流，以固定的电流对电池充电；CV即恒压，以固定的电压对电池充电，充电电流会随着电池充满逐渐下降。 ②涓流充电：指以小于0.1C电流对电池充电，一般在电池接近充满电时，迚行补充充电时采用，若电池对充电时间没有严格要求的话，建议采用涓流充电方式充电。 ③浮充电：随时对蓄电池用恒压充电，使其保持一定的荷电状态。 8、充、放电深度（SOC DOD）：电池保有容量数值的表示方法。 ①荷电状态state-of-charge（SOC）：蓄电池放电后剩余容量与全荷电容量的百分比。 ②放电深度depth ofdischarge（DOD）：表示蓄电池放电状态的参数，等于实际放电容量与额定容量的百分比。 ③深度放电deep discharge：表示蓄电50％或更大的容量被释放的程度。 ④举例：充、放电深度以百分比率来表示，如：容量为10Ah的电池放电后容量变为2Ah，可以称为80%DOD；容量为10Ah的电池，充电后容量为8Ah，80%SOC。形容满充满放，通常称为100%DOD。 9、内阻（m?） ①定义：电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部受到的阻力。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。 ②分类：电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻是由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，极化内阻包括电化学极化与浓差极化引起的电阻。 ③影响因素：电池内阻是一个非常复杂而又非常重要的特性，影响内阻的因素有材料、结构等。 ④产生结果：由于内阻的存在，当电池放电时，电流经过内阻要产生热量，消耗能量，电流越大，消耗能量越多，所以内阻越小，电池的性能越好，不仅电池的实际工作电压高，消耗在内阻上的能量也少。 10、自放电率（％/月） ①定义：电池在储存过程中，容量会逐渐下降，其减少的容量与电池容量的比例，称为自放电率。 ②原因：由于电极在电解液中的不稳定性，电池的两个电极发生了化学反应，活性物质被消耗，转为电能的化学能减少，电池容量下降。 ③影响因素：环境温度对其影响较大，过高温度会加速电池的自放电 ④表示：电池容量衰减（自放电率）的表达方法和单位为：%/月。 ⑤产生结果：电池自放电将直接降低电池的容量，自放电率直接影响电池的储存性能，自放电率越低，贮存性能越好。 11、循环寿命（次） ①定义：二次电池经历一次充放电称为一个周期或一次循环，电池在反复充放电后，容量会逐渐下降，在一定的放电条件下，电池容量降至80%时，电池所经受的循环次数就是循环寿命。 ②影响因素：不正确使用电池，电池材料，电解质的组成和浓度，充放电倍率，放电深度（DOD%），温度，制作工艺等都对电池的循环寿命有影响。 12、记忆效应 ①定义：电池的记忆效应是指未完全放电的电池，在下一次充电时所能充电的百分比。 ②原因：电池内物质产生结晶，如镍镉电池中,Cd不断聚集成团形成大块金属镉，降低了负极的活性。 ③避免：为了消除电池的记忆效应，在充电之前，必须先完全放电，然后再充电。 锂离子电池无记忆效应。 13、放电平台 指放电曲线中电压基本保持水平的部分。放电平台越高、越长、越平稳，电池的放电性能越好。 14、电池组的一致性 由多个单体电芯串连、并联在一起就组成了电池组。电池组的整体性能和寿命取决于其中性能较差的一个电芯，这就要求电池组中每个电芯性能的一致性要高。除了单体电芯本身性能的误差和原材料质量的好坏，最主要原因是制造工艺，工艺的改进对提高电池的质量非常重要。 15、化成 电池制成后，通过一定的充放电方式将其内部正负极活性物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、贮存等综合性能的过程称为化成。电池经过化成后才能体现其真实的性能。同时化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性，使最终电池组的性能提高。 二、锂电池结构与原理解读 1、锂电池基本结构 主要材料：正极、负极、电解液、隔膜 结构：圆形、方形；叠片、卷绕 形态：聚合物(软包装)、液态锂离子(钢壳) 2、锂电池工作原理 正极材料：LiMn2O4，负极材料：石墨 充电时正极的Li+和电解液中的Li+向负极聚集，得到电子，被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。放电时镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，进入电解液，电解液内的Li+向正极移动。 3、锂电池组成原理 ①正极构造 LiMn2O4(锰酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）正极 ②负极构造 石墨+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铜箔）负极 4、充电过程 电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。 正极上发生的反应为LiMn2O4 ==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(电子) 负极上发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC6 5、放电过程 电池放电，此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上，正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。 正极上发生的反应为Li1-xMn2O4+xli++xe(电子) ==LiMn2O4 负极上发生的反应为LixC6 == 6C+xLi+xe |
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