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南京工业大学吴宇平:高安全电化学储能体系的探索

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2020-10-19 浏览:
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中国储能网讯:9月24—26日,由中国化学与物理电源行业协会联合200余家机构共同支持的第十届中国国际储能大会在深圳鹏瑞莱佛士酒店召开。此次大会主题是“共建储能生态链,开启应用新时代”。 来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1621人参加了本届大会。本次大会由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国科学院电工研究所储能技术组和中国储能网联合承办。  

在25日下午的“新型储能技术及应用 ”专场,南京工业大学教授吴宇平分享了主题报告《高安全电化学储能体系的探索》。会务组对发言人的演讲速记做了梳理,方便大家会后交流、学习,以下是速记全文:

吴宇平:大家下午好。

这是我们实验室的愿景,我们希望知识可以解决能源和法律方面的问题,享受生活。我们南京工业大学工科比较强,希望能够为社会培养人才。

这是我们团队,目前我们团队有5个教授、4个副教授和6个讲师。算是储能方面比较大的团队,我们也有机会跟企业交流合作,积极共同作一些事情。

大家对锂电池非常熟悉。但是为什么有锂电池?要了解为什么有锂电池的原因,就必须不仅知其然,更要知其所以然。

1800年伏特发明了电池,拿破仑非常高兴,所以把伏特这个小老百姓一下变成贵族,这也是电化学史上第一个从平民到贵族。当时采用水溶液体系,就如同人类的起源一样,电池也是起源于水。

为了提高电池的能量密度,必须采用新的负极材料。二氧化锰等正极材料在水里非常稳定,但是锂比较活泼,如同火一样,容易烧起来。二氧化锰在水里非常稳定。我们知道水火不相容,这种电池作不出来的。如果我们把水换成容易燃烧的有机电解液,有机电解液属于火的属性,这样就可以相容了,得到了高能量密度的锂电池。但是,电池就像人一样,火气旺的时候需要把火气的问题一步步解决。把锂电池火气旺的过程一步一步解决,就得到了容量高的锂电池。

1994年我们在国内比较早地就开展了锂电池材料的研发,例如改性天然石墨是国内第一款循环寿命超过500次的天然石墨负极,我们也作了三元材料,并且避开了3M公司知识产权的保护。为了解决锂电池火气旺的问题,让它火气没那么旺,我们加入了阻燃剂,取得了良好的效果。

小电池的火气解决了,电池大了以后,同样有火气旺的问题,包括特斯拉也解决不了自燃的问题。钛酸锂很安全,但还是会烧。最大的问题是为什么烧?我们可以从为什么有锂电池的过程找到答案。把电解液换成了易燃的东西,因此有了锂电池,正是因为这个易燃的有机电解质,才有了安全的问题。前面嘉宾提到加入磷酸锰铁锂也可以提高安全性,核心安全是什么?易燃的隔膜和电解液。日本丰田研究所的研究结果表明,如果液体锂电池产生的能量是100%,固态锂电池则只有20-30%ALIB,甚至降低到16%。说明核心的安全问题来自于电解液。锂电池的市场很大,怎么办?为了进一步提高安全,能否把电解液跟隔膜连接在一起。结果表明,凝胶隔膜是个有效的解决方案。2003年开始凝胶隔膜的研发,包括制备方法、孔隙率的控制、复合材料。例如与玻璃纤维毡、无纺布和纤维素的复合,我们均是世界上最先报道的。

凝胶隔膜的锂离子导电率与液体电解液在传统隔膜中差不多。组装成锂电池后,具有良好的安全性能和电化学性能。例如采用3G凝胶隔膜在2C的充放电性能与2G陶瓷隔膜不相上下,但是在安全方面具有良好的优越性,满充是4.4V,在高温短路、针刺和跌落测试方面,均明显优于2G的陶瓷隔膜。对于手机电池而言,尽管比较小,但是没有作好它就是个炸弹,在跌落和高温短路测试时就发生了爆炸。

当然,随着锂电池能量密度的不断提高,火气更旺了,也就必须不断把火气旺的问题予以解决。我们有了1G拉伸隔膜、2G陶瓷隔膜、3G凝胶隔膜以后,4G、5G等隔膜也必须研发。希望在大家的共同努力下,保持我们隔膜的世界领先性。

前面谈到锂电池,我们不断将锂电池的安全性进行提高,能否换种思路把锂电池的安全性也提高?因此,我们开展水锂电方面的工作。水锂电的英文术语ARLB是我们在国际上第一个定义的,得到了国内外的学者的高度认可。

水锂电的故事是加拿大科学家首先发明的,我们国内学者也要实事求是。我们是国内第一个开展水锂电研究的。2007年发表第1篇文章以来,我们就坚定地认为,锂电池“跑”到水里面,不是“可能”,而是“肯定”是一条思路。科技是第一生产力,科学在前面,技术在后面,从科学探索到最后的产品,成功的概率本身就不到1%,这也是许多科研成果只能搁在书架上的客观规律。

在中国创新并不容易的事情,我们通过四年的努力,终于获得了国家自然科学基金委第一个有关水锂电的科研项目,后来又获得了国家自然科学基金委第一个有关水锂电的重点项目。

我们在第一代水锂电方面,将正极材料的倍率性能、容量和循环性能得到了明显的改善,并构筑了新的第一代水锂电体系,首次提出了“充电可以象加油一样快”的概念。当然,从概念的提出到实现可能有很长的路要走。

在此基础上,我们结合我国的五行学,采用水-木相容、木-火相容的原理,构筑了高能量密度的第二代水锂电。

为了进一步提高能量密度,我们能否回归到经典。伏特最先有关的电池,就是简单的氧化还原反应,不采用氧化还原反应+嵌入反应。根据此原理,我们采用LiBr水溶液,构筑了更高能量密度的第三代水锂电。后来,国外学者借鉴我们的理念,制备了无贵金属的Li-BrCl电池体系,这也是特斯拉说的无钴电池中的非常重要的一种,这三种元素均可以从海水中回收,因此特斯拉宣称,今后电池材料就直接来源于海水,其主要原因就来源于此。

汽车有很多种,有QQ、桑塔纳、帕萨特、奔驰、宝马,三元电池起来后,其他电池就没有市场了吗?LiFePO4照样有它的市场。当然,水锂电除了第一代、第二代、第三代外,能否研制出能量密度更高的第四代?答案是肯定的。

谢谢大家!

关键字:电化学储能

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