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鋰資源與安全問題 “卡脖子”，動力電池往何處去？

2022/11/22
導讀
11.21
知識分子
The Intellectual

中科院物理研究所研究員、松山湖材料實驗室副主任黃學杰


 導  讀

動力電池需突破鋰資源受制于人的局面，積極發(fā)展下一代動力電池技術(shù)，要提高電池的綜合性能，特別是安全性能。

文字整理 | 張?zhí)炱?/span>


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在11月4日舉行的 “2022清潔能源技術(shù)與雙碳科學論壇” 上，中科院物理研究所研究員、松山湖材料實驗室副主任黃學杰與華中科技大學教授黃云輝進行了以 “動力電池技術(shù)的未來” 為主題的分享與討論。


黃學杰在會上說，眼下，動力電池已經(jīng)成為中國汽車行業(yè)的關(guān)鍵出口部件，而且支撐了汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。今年中國電動車產(chǎn)量即將超過600萬輛，占全球一半以上，其中60%以上的動力電池是由中國生產(chǎn)。生產(chǎn)這些電池的材料、核心的裝備2/3以上也是在中國本土生產(chǎn)的。


現(xiàn)在，特斯拉向美國、歐洲銷售的車輛很大一部分使用的是寧德時代的磷酸鐵鋰電池；日本豐田在汽車界長期是技術(shù)領(lǐng)先者，今天在買比亞迪的電池；德國將會有10萬輛比亞迪電動汽車作為出租車，這在過去是無法想象的。


黃學杰介紹說，動力電池行業(yè)有今天的發(fā)展，最重要的是鋰離子電池技術(shù)的貢獻。鋰離子電池能量密度高，壽命長，成本相比過去有了大幅度下降。對此，中國政府有一個近三十年的謀劃，長期布局新能源汽車和動力電池產(chǎn)業(yè)，在研發(fā)上投入了幾千億元，還投入了更多補貼用于拉動市場。十五年前，中國抓住發(fā)展第二代動力電池的機會，對動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展制定了目標清晰的宏觀計劃。令人欣慰的是，今天動力電池達到的所有指標都超過了十五年前發(fā)布的指標。


如何區(qū)分動力電池屬于第幾代？黃學杰解釋，正極材料決定了動力電池的性能。第一代動力電池是錳酸鋰電池，當年日本技術(shù)領(lǐng)先，賣得最紅火的車是日產(chǎn)聆風，銷量接近100萬臺。但錳酸鋰電池容量不足，聆風只有200多公里續(xù)航里程。第二代是磷酸鐵鋰跟三元電池，分別滿足普及型和高端型需求。使用磷酸鐵鋰電池的電動汽車能續(xù)航400-500公里，三元電池能夠續(xù)航600-700公里。


黃學杰回顧，第一代的錳酸鋰電池日本領(lǐng)先，中國只能跟蹤高技術(shù)、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。當時，國內(nèi)第一代電池不能滿足汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，只能先從兩輪車做起，通過學習進入動力電池行業(yè)。中國當時成立的企業(yè)，如今仍然是全球最大的兩輪車企業(yè)。


在此基礎(chǔ)上，中科院在2006年開始推動磷酸鐵鋰電池的發(fā)展，也就是今天最主流的電池?！爸袊プ×肆姿徼F鋰的機會，磷酸鐵鋰材料幾乎全部在中國生產(chǎn)。2021年全球生產(chǎn)了49.5萬噸，中國生產(chǎn)了49萬噸，接近99%，電池也是這個情況。更重要的是，磷酸鐵鋰電池是電力儲能最優(yōu)的電池。現(xiàn)在國家能源局禁止中大型化學儲能電站使用三元電池，只允許用磷酸鐵鋰電池，就是因為它有更好的安全性。” 黃學杰說。


“總的來講，經(jīng)過長期的謀劃。從 ‘863’ 第一期開始，中國一步一步實現(xiàn)了動力電池從材料到裝備，從制造能力到研發(fā)能力的突破，走到國際靠前的位置?！?黃學杰說。



中國動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源壓力
黃學杰指出，中國動力電池和電動汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在國際上占據(jù)了重要地位，但并不是沒有發(fā)展壓力，資源問題仍在制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展。一些關(guān)鍵的金屬元素現(xiàn)在開始供應(yīng)緊張，典型的例子是鋰的價格。碳酸鋰從兩年前的4萬元一噸，漲到55-56萬元一噸。盡管中國鋰儲量是世界第四名，但在國際上卻受制于人。國際上已經(jīng)開始行動，南美幾個鋰資源大國準備成立鋰佩克，即鋰資源的壟斷組織。加拿大最近也宣布取消三家中國企業(yè)的鋰礦產(chǎn)合同。


這只是鋰資源的情況，實際上，鈷的情況更為嚴峻。黃學杰表示，全球的鈷大部分已經(jīng)被用到鋰電池中，鋰電池未來可能面臨無鈷可用的情況。所以做無鈷電池，同時節(jié)省鋰、鎳資源非常重要。


“資源的問題日益突出，占的市場份額這么大、產(chǎn)能這么大，但資源又受制于人，這個問題怎么解決？” 黃學杰指出，動力電池必須走向第三代?！靶阅芴嵘且环矫?，資源的節(jié)約、資源稀缺元素的替代變得尤為重要?！?黃學杰說。


三代電池的性能相比二代電池都有明顯提升。二代磷酸鐵鋰電池便宜、資源用量少，但續(xù)航里程不夠長，冬天北方的司機感受尤其明顯。磷酸鐵鋰電池的升級版是5V尖晶石鎳錳酸鋰電池，性能提升的原理是在鋰離子量相同的情況下，通過提升電壓來增加容量。


“同樣的鋰離子量，把電壓升上去。跟水電一樣，水電抽的是水，鋰離子電池里面在正負極抽的是鋰離子，用更高的電壓分散鋰離子的時候，就能儲存更多的能量。所以鎳錳酸鋰電池電壓比今天的磷酸鐵鋰電池高40%還要多一些。” 黃學杰說。


技術(shù)上的難點是，今天的車用電池電壓一般是4.2V，鎳錳酸鋰電池需要充電到4.9V，同時還要保持電池壽命。黃學杰表示，經(jīng)過科學家二十多年的工作，現(xiàn)在充到4.9V的鎳錳酸鋰電池，在常溫與高溫條件下的壽命均超過充到4.2V的三元電池。跟同樣高水平的磷酸鐵鋰比，同樣尺寸能量多了50%，低溫性能提高，成本按目前碳酸鋰資源價格計算低了29%。


三元電池的升級版則是高密度的鎳酸鋰/合金化負極電池，不再依賴鈷資源。黃學杰解釋，鎳酸鋰材料配合高容量的負極解決了一系列材料穩(wěn)定性問題。過去三元電池把鎳密度做高會出現(xiàn)很多問題，包括鎳很難被制成單晶，但現(xiàn)在經(jīng)過物理所致密微晶技術(shù)的處理，高鎳材料變得非常穩(wěn)定。


黃學杰表示，在不用鈷的情況下，升級版三元電池的正極材料的能量密度提升了，負極材料的提升尤為明顯，把石墨360毫安時/克的實際容量提升為合金的3000毫安時/克的容量。到去年年底，高鎳電池容量已經(jīng)提升到750瓦時/升，今年年底努力演示900瓦時/升。預(yù)計明年年底就能夠達到三元的1.5倍，也就是提升50%，而且成本相應(yīng)下降了30%。


黃學杰透露說，目前，第三代電池的研究不僅僅是在實驗室做，比如南方的松山湖材料實驗室在做三代電池的材料和中試，并且對電池企業(yè)和有能力、有意愿做電池的整車企業(yè)開放了平臺，最近有多家企業(yè)開始到這邊DIY，自己做出第三代電池。


不過，以上兩種第三代電池還是需要鋰資源。在鋰資源如此緊張的情況下，鋰在大規(guī)模應(yīng)用中是否有替代品？對此，黃學杰介紹，中科院物理所從2010年開始布局鈉離子電池，它在動力上可以滿足低速車輛的需求，比如兩輪車和普通物流車就可以用鈉離子電池替代鋰電池。現(xiàn)在鈉離子電池一系列的材料已經(jīng)研發(fā)成功。


此外，對于第四代電池的前景，黃學杰判斷第四代電池是十年以后的事情，涉及涉及一系列的革命性技術(shù)，全球還在競賽之中。



動力電池技術(shù)發(fā)展要注重安全性
在交流中，華中科技大學教授黃云輝指出，電池有幾個關(guān)鍵的技術(shù)指標，“還有一個很關(guān)鍵的因素是安全性，電池的安全關(guān)系到電動汽車的安全，無論是從電動汽車來講還是從規(guī)模儲能來講，在考慮能量密度的同時，更重要的還要考慮到它的安全性?！?/span>


黃云輝表示，現(xiàn)在國內(nèi)外學術(shù)界都在研究材料體系，因為材料體系決定了電池體系。正極材料的變革方向之一是高鎳體系，鎳的含量越高，電池能量密度會越高，但安全問題可能更具挑戰(zhàn)性。


“其實現(xiàn)在的電動汽車就續(xù)航里程而言，達到1000公里并不難，一方面可以靠增加容量、裝機量實現(xiàn)，另一方面可以靠提升電池本身的能量密度。在推向?qū)嶋H應(yīng)用的時候，如何解決它的綜合性能問題，特別是安全問題才是關(guān)鍵。” 黃云輝說。


針對下一代的電池體系，黃云輝和黃學杰都認為，鈉離子電池和固態(tài)電池是未來的發(fā)展方向。黃云輝認為，現(xiàn)在鈉離子電池已經(jīng)走到實際應(yīng)用的臨界點，應(yīng)該會在兩三年之后在應(yīng)用方面有更大的進展。從綜合性來講，鈉離子電池跟鋰離子電池相比還是有一定的差距，這是它本身的因素決定的。但是在鋰資源匱乏情況下要未雨綢繆，開發(fā)鈉離子電池這樣的新型的電池體系，盡快推進它的應(yīng)用。


黃云輝介紹，現(xiàn)在國內(nèi)已有接近100家企業(yè)在鈉離子電池方向布局，包括材料體系、電池體系以及背后的系統(tǒng)，在應(yīng)用方面也是在躍躍欲試，鈉離子電池整個產(chǎn)業(yè)鏈有希望在近幾年完善。


“鈉離子電池日后在電動汽車、規(guī)模儲能上的應(yīng)用，還有一定的路要走，特別是綜合性能、安全性這些因素。要經(jīng)過規(guī)模應(yīng)用的驗證才能考驗這種鈉離子電池的應(yīng)用前景到底如何，這也是日后很大的一項挑戰(zhàn)?！?黃云輝說。


現(xiàn)在圍繞鈉離子電池有一些爭議，主要是關(guān)于鈉離子電池能否在電動汽車中應(yīng)用。對于這個問題，黃云輝認為現(xiàn)在鈉離子電池已經(jīng)能夠做到150-160瓦時/升左右的能量密度，跟磷酸鐵鋰比較接近，有希望在電動汽車中應(yīng)用。此外，鈉離子電池用于規(guī)模儲能，特別是分布式儲能應(yīng)用的前景可能會大。


固態(tài)電池同樣是最近幾年國內(nèi)外的熱點，多家企業(yè)已經(jīng)在布局。黃云輝判斷，全固態(tài)電池要十年以后才有可能產(chǎn)生材料體系或者電池制備技術(shù)的革命，當下固液混合、半固態(tài)電池的應(yīng)用前景值得期待。


電池的綜合性能，特別是安全性能如何來提升？黃云輝認為，安全性首先決定于電池材料，電池材料里面怎么通過正負極材料、電解液材料、隔膜材料、集流體材料綜合考慮，解決本身的安全，這點非常重要。


黃云輝介紹，“十四五”期間中國已經(jīng)布局了徹底解決電池安全安全的一些關(guān)鍵材料，包括PT鋁、PT銅這樣的復(fù)合集流體，它們不但可以解決穿刺這類的安全問題，也可以減重，從另外一個角度還可以增加能量密度。


黃云輝也對電池鋰資源問題進行了展望。他認為電池回收利用，包括梯次利用、再生利用的技術(shù)不僅能解決環(huán)保問題還能解決資源問題，會是一個大產(chǎn)業(yè)，未來的發(fā)展值得期待。

制版編輯 | 姜絲鴨



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