吴峰：动力电池材料及技术突破

我们采用了构效优化、纳米尖晶石包覆和仿生膜设计，实现正极材料的高容量与高功率;以有机硅工业生产过程中产生的工业废料为多孔硅原材料，以明胶为碳源，制备出比容量高、循环稳定的多孔硅材料。通过导电聚合物包覆，实现了硅纳米粒子与导电聚合物的柔性组装，并形成胶囊结构的硅负极。在3000mA/g电流密度下，实现了电极的长寿命(1000周)。我们已经制备出能量密度高于300Wh/kg的锂离子电池，但其安全性和循环性还有待提高。

对动力电池企业来讲，从粉料制备，到颠覆性涂布，到辊压、剪切分条、极组卷绕、装配、化成检测，有一个特点，从头到尾手不接触电池极组，这是对动力电池规模化、自动化生产的要求。

大幅度提高电池比能量需要新的体系和相关材料。无论是电动汽车还是手机电池都需要更高的能量密度，我们在973计划高性能二次电池项目中提出了从“轻元素、多电子反应”材料入手 ，通过多离子效应和相关转化机制，创建新的反应环境，使“惰性”物质转化成“活性”的高容量电极材料，构筑高比能二次电池新体系,制备出多电子锂硫电池和铝离子电池。

以锂硫电池为例，其理论能量密度是2600Wh/kg，在2010年美国生产的能量密度为350Wh/kg的锂硫电池成功用于无人机，白天时采用太阳能板供电，夜晚采用锂硫电池，成功打破了无人机飞行336小时(14天)的记录。锂硫电池研究的难点在于如何提高单质硫的导电性?如何抑制“飞梭效应”?如何抑制锂枝晶的产生?我们设计出石墨烯/碳纳米管导电骨架，实现了硫电极多电子反应与高容量化。通过纳米孔限域、聚合物修饰、多元复合等技术，起到了抑制“飞梭效应”的作用，有利于防止多硫化物溶解流失，将多聚多巴胺用于锂硫电池电极与隔膜的包覆改性，可有效抑制“飞梭效应”。我们制备出能量密度达到433Wh/kg的锂硫电池，单体是5Ah。在研制过程中没有出现过安全事故。

再就是铝，铝是地球上含量最丰富的金属元素，理论比容量可以达到2980mAh/g，我们是在多孔镍集流体上原位生长出无黏合剂新型金属氧化物电极，并在离子液体电解液的多阴离子协同作用下进行脱嵌反应，与金属铝构建出具有3电子反应特征的铝二次电池。铝电池当然电压现在还比较低，还需要进一步提高。

我们还研制出三维限域纳米结构的Sb/C复合物，实现了3电子反应，储钠容量达655 mAh/g，并有效缓解了电极在充放电过程中的体积膨胀，兼具良好的循环稳定性(400周)。研发出一系列硫基复合材料、硅基复合材料、氟化物等多电子反应新材料，为进一步构建450-500 Wh/kg的高比能电池示范体系提供了材料基础。

追求电池高能量密度的同时也带来了潜在的化学不稳定性，因此，高比能电池的安全性也成为国际关注的热点和难题。

我国在2016年的1月—8月，电动车已发生14起安全事故;2016年8月份，三星Note 7开售，之后不断爆出电池起火事故，股市一周蒸发了近200亿美元，并受到国际航空公司的密切关注与限制，目前已大批量招回。

我们的研究思路是从调节和切断电极反应等基元步骤和关键材料入手，提高单体电池的安全性;通过探究电池的安全阈值边界，提高电池系统安全性。这里边实际是两个方面，一个是单体，一个是系统。

在电极材料方面我们采用表面修饰方法，通过包覆温度敏感层，当电池内部任一微区达到预警温度时，可阻断电极反应，有效防止电池热失控。采用陶瓷隔膜表面修饰技术，可以提高电池的使用安全性，降低电池的内部短路率。目前苹果公司的高端手机，隔膜必须采用陶瓷隔膜。采用安全性功能电解质和添加剂，可以有效提高电池的安全可靠性和温度适应性。

锂离子电池和镍氢电池、铅酸电池最大的不同之一，就是它采用六氟磷酸锂有机电解液，而镍氢和铅酸是碱性和酸性水溶液电解液，因此安全性较高。我们围绕改善电池安全性、增强电化学性能和实现柔性化，重点开展了材料体相、表面、截面积晶界四个方面的研究，柔性化技术与电池新体系固态电解质的研究结合在一起。大家可以看，电池发生的安全事故主要是由于热失控引起的，而且其中一个主要的几步就是从电解质热分解引起的，因此在电解质当中加入阻燃剂和添加剂，使用离子液体，采用固态电解质从这三方面改善电池的安全性。

我们采用不可燃的无机骨架将离子液体固态化，制备出长寿命高倍率的固态化电解质、自适应纳米交联基固态化电解质和有机修饰的Si基离子凝胶电解质，还有柔性固态化电解质。我们所制备的纳米交联基的固态电解质，同时具有高室温电导率，宽电化学窗口的不可燃性，还具有自适应的特性，可以自我调节孔径。将离子液体固定在无机骨架中，形成了离子凝胶固态电解质，将其原位覆盖在电极表面，所制备的锂离子电池具有良好的安全性能。加电解质无机骨架形成三维、连续的纳米结构离子传输通道。采用了原位自组装技术制备出介孔二氧化硅复合离子液体的固态化复合电解质，该复合电解质具有高的室温离子电导率。

刚才讲安全问题首先从材料入手，要有安全性的正极、安全性的负极、安全性的电解质、安全性的隔膜，而且还能有机的配合，这才能做出一个好的安全性的单体。再一个是系统，单体做好了系统不好也不行。像比如三星Note7手机，其中一个问题，为了赶时间，在系统中省略了一些安全性的控制步骤和单元。所以我们讲首先得是一个好电池，然后还得有一个好的管理系统，这样的话才能够从整体上来保证安全性，缺一不可。

动力电池的绿色回收技术

还有一个问题是废旧电池的绿色回收技术开发，目前二次电池已渗透到国民经济和人民生活的各个领域，电池产量急剧上升，对社会产生了巨大的环境和资源压力。

我们采用环境友好的柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸等天然有机酸回收新技术，实现了废旧锂离子电池的绿色高效回收(锂和钴浸取率分别为98%和94%)，避免了强酸回收处理中的二次污染。

据美国《华盛顿邮报》网站今年6月16日报道：美国国家航空航天局(NASA)正在研发一款电动飞机，以加紧推出比当今飞机能耗更低、巡航速度更高的零排放飞机，朝着空中旅行更高效、更环保的新时代迈出了重要的第一步。这款飞机的最大航程只有约100英里(约合161公里)，飞行时间为一小时，它期待着电池技术方面的进展。该项目首席工程师马特•雷迪弗说：“如果电池的能量密度继续像过去10年那样迅速增加，那么你可以设想在未来5到10年，电池技术将发展到允许这款飞机转化为商业机型的地步。”

2002年,我们在973项目中提出300Wh/kg指标的时候，当时美国的USABC计划和日本阳光计划提出的指标是200Wh/kg和150Wh/kg。美国的能源部2012年投入1.2亿，2016年投入5千万美金，先后组织阿贡国家实验室和西北太平洋国家实验室等多家研究机构也针对高比能电池新体系开展研究。从某种意义上说，在高比能电池研究方面，我们在国际上不再是跟踪，而是引领。

今年美国西北太平洋国家实验室的主任和阿贡国家实验室的主任先后到我们实验室访问，提出了希望加强双方合作的意愿。我们973项目的团队包括北京理工大学、中科院物理所、武汉大学、厦门大学、南开大学、清华大学、吉林大学和国家高技术绿色材料发展中心等单位，这个团队已经共同奋斗了15年。

我们国家新型绿色二次电池的发展起源于锂二次电池固体电解质材料和镍氢电池储氢材料的研究，依赖于电池关键材料技术的创新和进步，从新材料研究入手到中国相关绿色电池产业的崛起，可以说是30年磨一剑，赢得了中国在国际镍氢电池市场的半壁江山，争得了中国与日本、韩国在锂离子电池产业的三分天下，引领了国际高比能电池新体系的构建与发展，充分体现了动力电池材料的基础和先导作用，展示了其创新与突破对动力电池与电动汽车的重大影响力。

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