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陈立泉院士:固态电池--EV电池安全性最终解决方案?

2016-08-24 作者:高驰 来源:中国客车网
  以“安全保障、创新引领”为主题的2016中国电动汽车百人会夏季论坛2016年8月21日在郑州市举行,来自行业主管部门、中国工程院、汽车制造企业等领域权威专家济济一堂,围绕电动汽车安全、技术与政策走势展开交流研讨。

  在当天下午的举行的主题为“技术进步与汽车安全”的第一峰会上,中国工程院院士陈立泉发表了关于“固态电池--EV电池安全性最终解决方案?”的演讲。全文记录如下:

  “固态电池——EV电池安全性最终解决方案?”这个标题不是我的,是借用人家的,所以打了一个问号,就是说不能说的太绝对了,起码说是对电动车电池的安全性会有很大的改善。

  这是动力电池革命性突破的路线图,现在大家可以看得到,这是目前的能量密度,大概到2020年要达到300瓦时/公斤,这是用现有的材料把它用到极致,可以到300瓦时/公斤或者多一点。那个时候行驶电动小汽车大概巡航里程大概是400公里,如果能量密度进一步提高,大于500瓦时/公斤的话,一定从现在开始就要考虑固态锂电池。如果能量密度大于500瓦时/公斤,就要考虑固态锂空电池。现在的锂离子电池大家都很熟悉了,用石墨做负极,372毫安/克,中间的电解质是液体电解质,含锂的过渡金属氧化物作正极。由于使用可燃的有机溶剂电解质带来安全性问题,它的能量密度大概可达300瓦时/公斤。

  为了解决这个动力电池安全性问题,这张图是法国科学家的,我把它改了一下,可以通过化学的或者电化学的办法来改善电池的安全性,也可以通过电芯的设计和电子学的改善,比方说电池管理系统、热管理这些来改善安全性。但是有一个重要方法就是要发展固态电池,固态电池为什么是安全的?

  固态电池也是有正极材料、负极材料,只不过正极材料可以用现有的正极材料,也可以用不含锂的正极材料,负极材料也可以用现在的石墨,也可以不用,用金属锂做负极材料。金属锂的容量是石墨容量的10倍,所以这就是为什么固态电池的能量密度比现在的要高,达到500瓦时/公斤,中间的电解质不是液态,是固态,就没有燃烧的问题了。能量密度可以大于和等于500瓦时/公斤,不燃烧,不爆炸。

  这是目前国际上已经运行的,大概已经有4000多辆车,是法国Bellore公司生产的,电池是磷酸铁锂做正极,金属锂做负极,中间是聚合物的固态电池,叫PEO,它的工作温度是60度,为什么是60度?因为PEO聚合物电导率比较低,所以要达到60度才可以。这个汽车不是出事故被烧坏的,而是人为烧坏的,但是电池仍然是完好的。为什么电池会完好?这是2014年我们国家已经做的工作,比方说把电池切掉一大块,电压还可以达到3.4伏。穿钉,钉子穿上去以后电压往下降,几秒钟就恢复了,再穿一次钉往电压下降,但电压马上恢复。通过热箱,外短路都没有问题,这是2014年的研究情况。

  这个是中科院青能所今年的进展,用的体系已经不是法国人的体系,是金属锂负极,用的是三元正极,而且是富镍三元,就是622,它的能量密度比较高,电解质不是PEO的电解质,而是聚碳酸丙烯脂之类的电解质,是我们中国人首先提出来的,现在外国人紧跟着我们做这个工作。这个电池的能量密度可以到250瓦时/公斤,这是穿钉实验,一下扎了4个钉子。穿刺之前电压是4.04伏,针扎进去是3.95伏,拔出来是4.04伏,可以看出来电压是可以恢复的。这张图扎了5个钉子,蓝线是温度的上升情况,温度最大上升到70多度,没有超过今天欧阳说的那个热失控的温度,而且最后的两个钉子没有拔出来的。红色线是电压,可以看出来能够恢复。这是钉子插入、钉子拔出的情况,电压在钉子拔出以后是可以恢复的,其他详细的情况我不讲。

  另外还做了一些热箱实验、挤压实验和过充实验。

  固态锂电池可以看出安全性是好的,为什么好?因为局部发生短路的时候,只是聚合物熔化,熔化以后成为绝缘体,但可以又自愈,自己又可以恢复,即使发生热失控,把电池温度升高了,金属锂因为熔化温度是180度,即使到了180度,锂被熔化以后,在做电芯留一个空间,金属锂可以到预留的地方去,不会着火。

  大家可能会问,如果把电池扔到水里会怎么样?实际上扔到水里以后也不会有问题,原因我已经解释了。我把最近生物能源所做的工作介绍一下。他们在国家深海基地管理中心做了两次实验,一次是8000米的模拟实验,一次是11000米的深海模拟实验,这两次深海实验都已经通过,没有问题。11000米是全世界最深的马里亚纳海沟---11034米。因为做深潜的时候,电池是放到水里,也就是在潜水器外头,不是在潜水器里头,可以看出在水里是没有问题的。

  讲一下中科院宁波材料所有关聚合物的工作。用石墨做负极,用硫化物复合电解质,这个电解质是无机的。用钴酸锂做正极,4Ah的电池,能量密度是240瓦时/公斤,常温循环500次,容量还有88%多。通过了一系列针刺、过充、短路、强制放电、高温循环的实验。采用的无机氧化物电解质,通过了所有的安全测试,因为这个数据不让我公布,所以就不好再说了。

  结论是固态电池中不含可燃的液体电解质能够极大改善电池的安全性,建议大力支持固态电池的研究、开发和产业化。希望在5年之内能够实现产业化,但是国家现在支持力度还是很有限的,只支持了一个材料基因的方法来做固态电池研究,3000万一个课题,希望在座的各位呼吁一下,能够支持固态电池的研究。这是我国锂电池惟一的机遇,如果这个机遇错过了的话,下面要研究锂硫电池、锂空电池也就失去机会了。所以希望大家支持,当然也希望政府能够大力支持。

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