人才视界④|黄学杰:让煤炭和石油的用途从燃料变回材料——实验室创新样板工厂锂离子电池材料团队

2020-08-24
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无论是日常使用的手机、平板,还是街头日益增多的电动汽车,电池都是现代生活中不可缺少的重要动力源。在松山湖材料实验室锂离子电池材料研究团队实验室内,一千多个电池样品在测试设备上不停进行充放电等试验,检测新型电极材料的技术性能。

利用该团队研发的新型电池材料,未来有望将锂离子电池能量提升40%,而成本降低30%,手机将获得更长的待机时间,电动汽车则可以获得更长的续航里程,清洁能源获得更广泛的应用。目前,该团队瞄准动力电池等领域,加速向产业化应用推进,立志“让煤炭和石油的用途从燃料变回材料”,推动电动汽车等产业实现跨越发展。

 

“石器时代结束不是因为没有了石头”

 

“电池有三个最主要的应用方向,其中大家最熟悉的是手机等电子消费品领域的应用。”锂电池团队负责人、材料实验室副主任黄学杰研究员首先介绍道,相比于其他电池,锂电池有着更好的综合性能表现,在手机、电脑等各种电子产品上有着广泛应用。

早期是电子消费品领域激烈竞争推动着锂电池性能不断提升。“过去‘大哥大’非常时髦,但体积大,价格昂贵。当时采用的镉镍电池,一块电池充满电只能用两三个小时,出门还得携带多块备用,非常不方便。”

 

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黄学杰表示,随着锂离子电池的应用和兴起,才使得手机电池性能显著提升。从早期的摩托罗拉模拟机到诺基亚推出的数字机,手机越来越小,续航越来越久。后来苹果公司又推动了手机智能化,打电话变成了手机的次要功能,现在人们可以用手机工作和娱乐。“这个离不开锂电池的支撑,现在的智能手机如果还是用原来的镉镍电池,最多用半小时,显然很难卖出去。”

锂离子电池在电子产品领域应用使技术和产业链快速发展,也为电动汽车的产业化在电池技术上打下了基础,它已成为电动汽车动力电池的不二之选。当前,我国新能源汽车保有量已达数百万辆,产销总量均达到世界第一,不仅传统车企纷纷向新能源汽车转型,蔚来、小鹏等电动汽车新品牌也先后创立,发展势头迅猛。新能源汽车需要的动力电池,正是该团队重点攻关的领域。

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“汽车的电动化首先可以减少对石油的依赖和减少对环境的影响,汽车行业还有一件很重要的事就是智能化,因为只有电动化的平台的才能够有效的支持汽车实现智能化,让汽车成为人们工作和生活的空间,电动化和智能化互相促进。”黄学杰举例道。

“不能简单认为电动化就是为了省油。”黄学杰表示,固然石油资源有限是发展电动车的一个重要理由,新的技术变革才是燃油车必将被淘汰的真正原因,正如石器时代的结束并不是因为没有石头了,而是因为青铜和铁器技术的进步。隋着电池技术的进步和汽车智能化,烧油开车时代的结束可以预期。

 

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黄学杰判断,电动化、智能化汽车的发展,将使得汽车朝着更加小型化、普及化方向迈进,将为汽车产业带来更大机遇。

锂离子电池还在储能方面具有广阔前景。“目前太阳能、风能的发电成本越来越低,清洁能源在电力供应中的占比在不断提升,但是这些清洁能源最大的问题就是不连续,需要对电能进行储存调节。”

抽水蓄能电站是典型的大规模储能调节方式,利用多余的电力将水提升储存,需要电力时水力驱动发电机发电。建设周期长、投资大,能效低,地理条件要求苛刻。

“电池已成为主要的电力储能技术,以锂离子电池为主,去年新装的电力储能90%以上都是锂离子电池。储电效率超过90%,储存成本已经大幅度降低,优于抽水蓄能。”黄学杰表示,另外锂离子电池储能还有分散的优势,可以与电动汽车的普及相结合,汽车电池与电网联动,实现智能调节。

 

新一代材料助电动车产业越过“临界点”

 

汽车产业是全球最大的工业门类之一,在刚刚发布的2020年《财富》世界500强榜单上,众多汽车厂商名列其中。由于中国的汽车产业起步晚,在汽油车制造方面技术水平与德国、日本、美国等国相比相对落后,但新能源汽车,特别是电动汽车的出现,为国产汽车崛起提供了赶超的绝佳机会。制约电动汽车发展的三大痛点是续航里程、价格和充电时间,主要受动力电池技术制约。

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“我们团队在松山湖材料实验室做下一代电池的材料技术攻关,主攻动力电池正负极材料,让电动汽车充电速度加快、充满电后里程跑得更长和降低售价,主要依赖于电池材料的变革。”黄学杰介绍道。

材料是影响电池性能的关键,并且占电池70%的成本,因此业界有“一代材料、一代电池”的说法。“今天又到了一个变革的关键时期,我们现在的研发重点是两个电极材料,一个正极材料和一个负极材料。”

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“研发新型正极材料的目的是让电动汽车续航里程大幅度提升的同时,让每个瓦时的电池成本大幅度下降;而负极材料研发的目的则是怎么能够给电池在10分钟之内把电充进去。”黄学杰解释道,正极材料主要影响电池的成本及能量密度,负极材料则会影响电池的充电速度。

目前三元材料动力电池,能量密度高,但成本高,磷酸铁锂电池成本低,但系统能量密度。该团队研发的正极材料,是高电压镍锰酸锂正极材料,和通用的石墨负极结合做成动力电池可以比目前成本具有优势的磷酸铁锂电池能量密度提升40%,相应成本则降低约30%。

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电池性能的大幅提升和成本的大幅下降,将为电动汽车产业带来质变。“前几年一台电动车需要国家补贴五六万,后来逐渐减少到两三万、一两万。补贴一旦取消,车子很难卖出去,看得出来它跟燃油车也就差这2万块钱,说明电动汽车市场化已到了一个临界点。”黄学杰表示,目前就是希望通过大家的努力,让电动车产业越过这个临界点。“先进的刚开始未必是经济的,但是最终它将是更经济的。”

此外,该团队研发的高密度储锂合金负极材料,与传统石墨负极材料相比,则具有高比容量、快充性能优的特点,在电动车辆和消费电子领域均具有广阔前景。

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“虽然电动车可以在晚上慢慢充电,但不少时候我们希望它充电能快一些,特别是对一些运营的车辆,几十分钟的充电时间还是太长了,这会导致公共充电设施占用时间过长,场地周转效率低。所以我们希望开发出在十分钟内可充满电的电池,人们在喝一杯咖啡的时间即可完成充电过程。”

 

与东莞产业环境形成密切互动

 

作为材料实验室的创新样板工厂项目,锂离子电池材料团队的目标也非常明确,即实现两种材料的产业化应用。

“我们在中科院物理所就这两个材料分别已经开展了十几和二十几年的前期科研工作,基础研究已基本做透了。这个时候把它往工业化方向推,必须把每个指标都做好,才可以实现应用。”黄学杰表示,做科研时一个材料的少数几个指标比较好,就可以写论文和申请专利,但是做产品的时候,“假设有18个指标要求,差1个都不行”。只能做出几克样品也不行,必须一批批做出成百公斤的样品,做出成批的电池来验证它。

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“下一步从每天产几百公斤到几吨几十吨,那是生产工厂的事。实验室也鼓励大家到时去跟企业结合,或者创办生产企业去扩大规模,需要融资和运营企业等。”

在锂电池材料团队的实验室内,已经有数十台设备搭建起的一条中试生产线,每天可以生产百公斤级的正极材料,动力电池也在进行试做的过程当中。黄学杰估计,今年年底一部分客户就可以拿到电池样品。而负极材料大概在2021年也将推向市场。与此同时,该团队也已经着手注册创业公司,为后续推进产业化应用做准备。

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落地东莞后,该团队原本将注意力放在汽车动力电池领域,但是东莞本地电子终端产品厂商强大的需求也推动该团队在消费电子领域开展了很多的对接合作,就消费类电子终端产品的合作也正在推进。

“其实东莞这一块需求很强,我们最近都在跟一些厂家密切谈沟通。特别是我们的负极材料,对提升充电速度有帮助,如果能够做出可几分钟充满电的电池,无疑是很好的卖点。”黄学杰说道。

展望未来,中国现在已经是电池第一大生产国,市售电池的技术指标也不低,但行业发展得很快,唯有持续加强材料研发才能使电池产业跟上升级的步伐。目前锂电团队研发的这两种新材料,可望为行业提供下一代电池材料技术,为保持下一代电池技术的先进性助力。

 

 

 

撰稿:综合事务管理部 × 南方日报

撰稿:未知