中科院陈永翀：发展新型锂能电池任重道远
2016-11-30 16:45:33
摘要：中国科学院电工研究所陈永翀教授在2016中国储能技术与应用大会上表示，发展新型锂能电池任重道远。
以下为陈永翀教授作“基于可回收理念的新型储能锂电池研究”主题报告文字实录：
陈永翀：大家下午好，刚才何老师是从锂电池的安全性这一块给出了一个很精彩的报告。我的报告主要想从电池的可回收性方面，其实作为锂电池的应用，它和我们90年代到现在的话如果相对于铅酸电池来说，它的历史还是短暂，还是新的。因为铅酸电池现在已经有150多年历史了，铅酸电池到现在你看它还是有创新，因此像锂电池从最小的从一些类似移动甚至一些元器件用的一些微瓦以及瓦级，现在几十瓦，几千瓦，兆瓦级可能会出现一些情况。大电池用来跟小电池有不一样的应用不同的角度，大家推进锂电池往储能，往动力方面用。
我们看看这是15年的世界500强前十名，我们可以看到十名里面有五石油公司，有两家是汽车公司，最近几年基本上这样子的一个数量已经牌位变化不是很大。也就是说前边的话一共下面是七家石油跟汽车有关系的。因为石油和汽车确实是相互依存的。如果算起来，像全世界现在汽车保有量约为现在接近10亿，如果说汽车燃烧掉汽油相当于俄罗斯和沙特去年的年产量。而我们国家每年石油总量60%左右，其实是被车消耗掉了。大家知道我们每年进口的石油量其实是在60%左右，所以换句话说我们每年进口石油被车消耗掉了，可以这样理解。但是我们国家汽车保有量按照世界平均水平就是1000辆、200辆的这样，我们还没有达到一个平均水平，我们才有100刚出头。像德国是500多辆，美国是接近800辆，每千人拥有的汽车量。所以汽车需求在中国来说还是一个快速发展，尤其是在二三线城市发展速度还是蛮快的。
从资源禀赋来说，煤炭相对我们国家多煤缺油少气，多煤也是相对而言。因为如果按照世界平均水平的话，我们煤炭也不及世界平均水平，只是相对来说由于我们石油太少了。现在勘探出来的可开采的石油，当然也许以后随着技术的发展可能在深海或者哪些区域还有新的开采出来。但是就从已经探明的易开采的油田，现在开采速度也就是15年。并不是15年之后中国石油就没有了，这个角度来说，我们如果是站在国家的角度来说，对政府来说压力很大。由此也引发了一系列的，包括一些地缘政治方面的一些冲突，钓鱼岛，南海等等。新能源汽车是电动汽车还是其他的有人工燃油，还有其他的混合动力，这有各种各样的形式。总的大背景，石油储量来说，中国确实要发展新能源汽车。十几年、二十几年这个石油量可开采就出现危机了。
第二包括空气污染，尽管像北京的雾霾，我们不能肯定汽车问题是主要的，但是它应该是一个重要的因素。很简单比如说那天雾霾很重的时候，从中关村坐车去国开大讲课，国开大在雁西湖，但是同样感觉那边空气很好。当然燃煤，工业废气排放是主要的因素，汽车尾气这块不容忽视。第三经济性容易被大家忽略，如果从能耗来说，电动汽车绝对是也优势的。还有一个未来的实用性，未来开发一些智能联网，开发自动驾驶等等，用电比用油有一个天然优势，速度非常快，都是电机。如果你是燃油车，低它一个数量级。
这几个方面来说，中国发展新能源汽车是一个必然选择。不仅是中国，德国发展电动汽车他们也有他们的规划。还有美国，美国刚刚推进了一个加快普及电动汽车计划。从加大普及电动汽车计划可以看出美国政府重视发展三类技术方向，高能量密度大于等于500WH/kg锂电池技术。电动汽车快速充电技术350千瓦，10分钟。他们是并行，快充他们也是支持。电池领域的新型原创技术，拿出20%的钱和经费来支持一些小型种子仙侣项目。我们国家最近两年科研发生变化，我们取消863项目等等，改为其他的形式。这里有很重要一点，就是我们怎么样支持一些原创小型的技术的开发，我觉得非常重要。比如项目过于集中，它对于创新可能不一定有利，这个需要以后我们立项、评估等等，应该是我们国家要注意的一个事情。过去立项可能觉得太散了，有这样那样的问题，现在集中。
习总书记提出发展新能源汽车是迈向汽车强国的必由之路。除了刚才说的资源的问题之外，另外就是我们国家这个汽车是燃油汽车，整个核心部件还有到目前为止我们国家燃油汽车利润可以说70%以上是给外企。通过知识产权一些方式，利润大头还是给外国挣去了。发展新能源汽车有可能我们中国摆脱欧美汽车技术垄断、重新定义世界汽车新格局的机会。这里面发展中有各种各样问题出来，我们要正视这些问题，今年9月份出来的新能源车骗补案曝光，在政策综合制定我们要综合考虑一下。可能里面有深层次，为什么这些车厂会做这些事情，尤其是客车厂，里面会被隐含。这里面是可持续发展，我相信他们去做违规的事情也会被解释。他们觉得现有模式有很大的问题，所以有短期行为出现，这里有深层次因素在里面。
有一个问题电动车其实包括低速还有高速要发展，新能源汽车是不是补贴力推，补贴消失的情况下，电动车还会出现两极分化。一个是低速短程电动车发展，第二是VEG模式快充电动汽车。两极分化，有可能不是现在补贴力推的模式。对于VEG模式来说，目前技术还不成熟，什么是VEG？相当于电动汽车可以快充，10-15分钟能够充满80以上的电。现在新能源汽车也能够快充，快充概念是20%左右，不是经常性，偶然一次。现有电池技术还达不到这样的水平，经常快充安全性的问题是一个很严重的问题。怎么做到这样的安全快充？我想这可能是以后动力电池发展的方向。
电动车能够快充，它直接从电网充电可能有问题，中间需要一个储能环节。所以大家都在谈电动汽车产业和储能产业关系，普遍认为电动汽车本身有一个动力电池在里面，认为他是储能环节。不过我认为动力电池，我们说的静态储能电池它的要求是不一样的。所以它不一定适合拿这个动力电池拿做储能方式。大家快充的时候需要中间一个缓冲环节或者电网承受不了这样的冲击。这个环节相当于加油站，是一个能源站。电动汽车产业和储能产业结合，有可能VEG模式现在实现不了，以后在风锂电池技术发展以后，在低成本储能电池技术发展以后是有可能实现的模式。储能产业也在找方向，为什么大家都在说储能很贵的事情，如果你能把储能系统功能更多的挖掘，给车充电或者还有其他的跟农业还有化工的一些产业的结合，充分发挥它的更多的功能，也是一种降成本的一种方式。
从目前来说在去年底《中华新能源》有一篇报道问我对低速电动汽车的看法，我认为是近十年市场发展主流，十年以后中国新能源汽车产业重要的一个补充。但是我们的新能源汽车里面电动汽车，过去十年研发思路在往高容量和高能量方向走。我想高能量密度确实是有必要做这件事情，当然可能不能够把它作为一唯一的方向，包括刚才何老师所说安全性的事情。2020年电池单体要做到350WH/kg，我觉得如果这个电池做出来了，它也不可能在我们汽车上先用，应该在我们手机上用，手机电池现在一般是160、180，能用到260有的可能就出问题了。260，手机电池就会出问题。到350，还剩下4年时间。我们手机对于电池能量密度的提升有更为迫切的要求，同时相对电动车而言，手机对于电池价格和安全性更为宽容。这个电池出来，手机方面可以先用，一味的追求数据上的难免会浮躁，带出很多安全问题，还有很多事情。出来对我们的产业，大家都在质疑新能源汽车的发展，我觉得这不太合适。建议脚踏实地的发展我们的电动汽车产业，过快过急欲速则不达。
锂电池如果作为动力电池和储能电池大规模用的话，资源这块是很大的问题。目前电池是从手机电池过来的，我们手机电池不会考虑它的回收性，一般用完了有可能直接扔掉。我们的铅酸电池回收做的非常好的，我们抛开环保性这问题来说，从它的技术性来说它的可回收性，我100块钱卖给你，回收至少有20块钱、30块钱再回收过来。如果说锂电池且不说用在储能这块用在电动汽车这块目前的速度2022年左右，报废量大概是17万吨。你怎么去回收？所以现在的话锂电池，动力电池再利用、回收受到大家关注，尤其是大家都会去想，有没有一些新型回收处理的办法，能够降低回收成本，减少环境污染。有各种各样的方法，火法、湿法、机械法、生物法等等还有方法的组合。这个锂电池回收成本太低，100块钱卖出去，回收价格不低于5块钱，这是一件很可怕的事情。如果我们供应电池产业没有做到可回收，整个产业链是循环经济，循环再利用，这是一个很大的经济。它的回收是怎么回事呢？就是它的价值太低了，里面有铜箔，铝箔，里面有一些材料元素，回收非常困难。因此我们能不能走另外的思路？从结构来说开发一些新型结构电池技术。有利于回收，不是做出来之后再想着怎么回收再处理。
现有锂电池为什么难以回收？无论是圆柱锂电池还是方型锂电池，内部是它的内部结构。所有的锂电池它都是粘接电极，无一例外。粘接各个厂家有不一样的技术，有些粘接好一些，有些差一些。这个正极片，上面画了一个，在铝箔两侧，厚度很薄的。要求粘接非常紧，甚至可以说是越紧越好。因为宽松的话就会增大了，你这样一个粘接的很紧的话，给我们带来问题就是回收方面非常困难。你粘接太紧，处理的时候怎么办？Co元素和Li元素回收要拆解，把其中Co元素和Li元素剔除出来，纯度不是那么高，因为你是粘接，没办法，全部要打碎掉，把里面碎的铝箔，铜等等这些，杂质含量太高，又重新用冶金方式回收。这样的路径成本太高。污染很大，里面这些酸怎么办，碱怎么办，这是锂电池回收遇到很大的问题。
第二个问题这样的粘接结构会带来什么？它的动态循环寿命短。静态储能，放着不动它循环寿命比较长。五年电池循环寿命技术提升比较好，作为动力电池来说它的一个关键的字在于动，这个动是运动状态如果用的话就很麻烦。在春夏秋冬温度季节的变化，里面会有一个膨胀和收缩等等这些，到最后会失去一些弹性。活性颗粒接触内阻升高，电池极片松动脱落，电池循环寿命急剧下降。
所以我们动力电池寿命跟我们狭义的静态储能电池的寿命，你在实验室静态下测试很好，你在动态实际情况下用寿命不见得会很好，这个要区别开来。
第三是电池制造成本高，小电池在手机里面不需要做并联，做动力电池和储能电池要串联、并联，要求电池一致性要好。电池同步，厚度很薄，可能是100微米。设备厂商提出我的正负0.5微米，导致我们大型锂电池的制造成本非常高。一套随随便便挤压式涂布机约300万一套，产量，设备投资0.3-0.5Wh/元。
如果说可能的话把我们锂电池粘接改为加热状态，对于刚才三个问题他是可以解决的。第一个浆料回收再生容易，浆料的纯度非常高，缺一些元素补进去之后，它的再生之后重新补充新元素还可以再用。我们实验室也做了大量的工作在这一块。
这样就避免了现有锂电池，你要把元素体现出来，这个思路走的话可能是对于锂电池是走不通的。尤其是被磷酸铁锂电池，锂是有价值的，铁是没有价值。钴酸锂电池除了锂还有钴。
第二浆料耐冲击，不存在松动脱落问题，电池动态寿命更长。第三浆料电极片是传统电极片厚度的5-10倍，绝对精度控制容易，电池制造成本降低。
它的库存效率很高，跟现有锂电池一样，99%以上没有问题。它的能量效率比目前现有锂电池低一点点。大于90%，在低速电动汽车是可以接受的。我们不要求一个产品十全十美，可以应用在任何场合，这是做不到，找到它的应用场合去做就行，百花齐放。
里面技术关键就是，开始做的时候我们也是按照锂电池思路来做，做的时候很难。比如反应腔小，容易堵塞，反应腔大，倍率性能差。这个是锂电浆料电池，我们设计的壳不是这个样子，我们实现它的功能。我们看到它的循环性非常非常好，它的极化在0.1到0.2左右，我们称它为平台极化，这是这个电池的一个特点。后续还有很多的工作要做。
专利角度来看，目前已经有55篇专利，授权19项发明专利。这是我们专利的一个布局，我们从今年4月1日开始中试，2010年开始做，前年已经做了五年了，遇到很多问题，现在基本问题解决了，小试成功。中试我们还会遇到一些工程上的一些问题。这是我们的团队，另外还是在招聘，如有感兴趣的朋友可以加入到我们团队。
它的应用我想最直接的一个市场就是铅酸电池和锂电池的市场空白点，在低速电动车和小型储能这块，这是它的未来得一个应用市场。
其实有着很简单的问题，尤其是我们锂电池一直想取代铅酸电池，锂电池有各种各样好。能量密度很低，铅酸电池能量密度很低，铅酸电池寿命短。可是为什么绝大多数85%以上的商业电动车和激战储能采用都是铅酸电池而不是锂电池，答案非常简单，就是太贵了。降低电池成本三个方法，一个是降低材料成本，降低制造成本，降低使用成本。现在大家做的一个事情，提升能量密度某种程度降低材料成本。可能带来安全性还有循环寿命。第二规模化制造，大规模降低成本。第三提高静态寿命，降低使用成本。
我们的思路是从另外一个角度来做，互补的角度。降低材料成本我们怎么来做？就是让我们锂电池真正做到可回收再生，回收残值大于20%，这样锂电池在大存储和动力方面作为一个产业来说才有可能健康发展，否则不可回收的话，回收残值太低不可能持续发展。第二低成本工艺结构，不单单是依靠规模化制造的成本。你能不能采用一些类似铅酸电池很皮实，傻大粗的方式做锂电池有没有可能。第三是提高动态寿命，浆料耐冲击，电池换液维护。我们跟锂电池做了之后是密封，你是不可以动它，即使换液，里面脱落了。我们也在做这个工作，很有意思。
未来的路我觉得还是任重而道远，我们还要做很多工作。感谢大家有这样的机会和大家一起交流，谢谢。(能源新闻网)
