鉅大LARGE | 點擊量：971次 | 2021年10月15日
美國阿貢國家實驗室Khalil Amine：鋰離子電池的一些進展
一月10-十二日，2020我國電動汽車百人會論壇在國賓館隆重召開。本次論壇圍繞“把握形勢聚焦轉(zhuǎn)型引領(lǐng)創(chuàng)新”主題，邀請政府有關(guān)部門和汽車、能源、交通、城市、通訊等領(lǐng)域的行業(yè)機構(gòu)和領(lǐng)先公司代表，就行業(yè)、公司、政策的轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新展開深度研討。以下是美國阿貢國家實驗室教授，KhalilAmine在本次論壇上的發(fā)言：
美國阿貢國家實驗室教授KhalilAmine
謝謝歐陽教授對我的介紹。今天我想跟大家來分享一些在能源包括鋰離子電池等等這方面的一些進展。
首先我們從這一頁內(nèi)容去看一下，它向我們展示2015年人類行為的能源流動情況，除了交通運輸之外，我們看到實際上運輸行業(yè)是唯一僅依賴一個能源供應(yīng)鏈的重要行業(yè)。電力是多種能源一個統(tǒng)一的能源載體，所以實際上我們也在交通運輸當中浪費了一半的能源，這種情況是不可持續(xù)的。
在美國我們看到70%的化石燃料是用于交通運輸，85%的化石燃料消費都是在路上的汽車所使用的。同時我們看到交通運輸在美國是家庭支出第二大的項目，第一大項目當然是住房了。我們也要去實現(xiàn)更多的電動化和更多的減排努力，同時交通運輸現(xiàn)在毫無疑問，在電動化方面是處在世界的領(lǐng)先地位。我國占了世界上一半的電動汽車的生產(chǎn)量，絕大多數(shù)的地區(qū)包括像歐盟和我國我們都看到，到2020年之前，將會去實現(xiàn)電動化的目標。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前我們看到傳統(tǒng)汽車和電動汽車在我國是處在一個齊頭并進的狀態(tài)，在美國我們也看到相對來說，MPG的比例要低于另外兩個重要的經(jīng)濟體，就是我國和歐盟。在這里是我們在彭博新聞社看到的一個研究，在彭博新聞他們所做的一項有關(guān)新能源的研究，重要是關(guān)注于在新能源方面的資金，我們看到我國是領(lǐng)先全世界的。藍色代表的是美國，綠色代表的是歐洲，在最上面深綠色代表的是世界其他地區(qū)，所以我們能夠看到我國在新能源方面的投資是在越來越快的上升，而且它的體量也是世界上最大的了。但是假如我們看一下成本，仍然是進一步的加大我們電動化進程一個重要的挑戰(zhàn)，同時我們也可以看到現(xiàn)在美國也在這方面做了大量的努力。
我們從成本的角度來看一下，目前進一步進行電動化重要從成本角度來說，現(xiàn)有的項目從我們預(yù)測的成本角度來說，仍然還是我們預(yù)測成本的兩倍，同時我們也看到近期的一些目標重要是希望成本能夠做到125美元/kWh，同時我們看到從長期目標成本的角度來說，希望能夠把它降到80-100美元/kWh。同時從這里我們能看到，不斷的去加強電池的能量密度，同時降低成本的話，我們前景還是非常明確的。比如在左邊展示的是現(xiàn)有的比如像聆風(fēng)電動汽車的電池，一般是23kWh，125liters等等這樣一些數(shù)據(jù)，從這個角度，我們可以大幅縮小它的大小。另外我們要去充分穩(wěn)定電解液它的電壓，比如假如我們能夠達到4.7V電壓的話，在下一代的技術(shù)當中，我們就能夠去實現(xiàn)一個非常顯著的提升。
從陽極的角度來說，今天的技術(shù)實際上重要是基于石墨的，在350mAh/g這樣一個密度，下一代是否能夠達到1000mAh/g，從陰極的角度來說，今天的技術(shù)重要是170毫安時/克，下一代期待能夠達到250-300mAh/g，我們從新的高能應(yīng)急的角度來看一下，在每個例子上是否能夠?qū)崿F(xiàn)一個密度的提升，我們開發(fā)了一個新的技術(shù)叫做FCG，就是全密度的梯度的鋰離子。從這個角度來說，你會看到鎳離子是出現(xiàn)在表面層，從這方面你就能夠獲得由錳帶來的穩(wěn)定性和鎳帶來的很好的導(dǎo)電性。從這里看到，假如降低鎳，提升錳的話，就能夠在這里去有效的提升電池的效率。我們還可以選擇把這個錳和鎳兩者進行一個分離，于是我們可以控制兩種金屬的密度。接下來我們還可以看一下，綠色的是鎳，橙色的是混合，紅色的是錳，這就是大概從結(jié)構(gòu)空間分布的角度來說，它們?nèi)齻€是怎么分布的。
我們可以看一下從FCG和NMC的比較，是6：2：2是在第一張圖，它的密度是2.5克每CC，假如看上面這些圖的話，你會發(fā)現(xiàn)重要的顆粒是球形的，同時從鋰遷移的角度來說，重要是顆粒邊界，我們可以看到低電壓時候的鋰的提取度是沒有那么高的。在下面這張圖中看到的是具有梯度成分的致密桿狀的結(jié)構(gòu)，在右下角這張圖介紹了一下分層的情況，以及桿狀結(jié)構(gòu)的平行的情況。在低電壓下，鋰的清除的速度相對更快，清除的程度是更徹底的。
在這里我們也是進行了第一次充電的比較，分別是FCG811和FCG622之間的比較，我們看到在右圖當中，從放電的容量角度，我們在225mAh/g這樣一個密度下，能夠?qū)崿F(xiàn)具體的電壓是多少，同時我們能夠看到由于獨特的形態(tài)，從分層到初級離子方面，F(xiàn)CG622在4.3V電壓下是第一次充電能力能夠達到剛才說到的225mAh/g。我們可以看一下在這里有很多金屬能夠給我們帶來很好的效應(yīng)，比如硅就是低成本的金屬，同時它也給我們供應(yīng)了一些基于體積角度最好的一些密度方面的表現(xiàn)。我們跟其他的金屬來進行比較，會看到實際上從應(yīng)用的角度來說，硅可以成為一種非常有前景的金屬候選。我們還可以看到實際上通過去新增陽極的電容，能夠有效的提升電池的能量。也就是說通過這種非碳陽極材料，同鋰離子加上儲能金屬的組合，我們能夠?qū)崿F(xiàn)非碳基的陽極材料新的構(gòu)成。從下面這些數(shù)據(jù)角度來說，我們看到是在非常低的載荷下的一些數(shù)字，這些數(shù)字看上去跟現(xiàn)實當中的載荷是有很大的差距。但是我們得到的一些數(shù)字還是比較令人感到滿意的，所以在美國阿貢國家實驗室當中，我們嘗試去找到一些如何能夠提升規(guī)?；l(fā)展的機會。重要基于把硅和碳作為重要的陽極材料，我們了解像這里面介紹的重要是硅晶圓上面的材料，它的成本早就工業(yè)化了，所以降的非常低，它有高度的毒性，所以是一個非常危險的材料。當然在實際使用當中，為了去防止出現(xiàn)中毒的情況，經(jīng)常會使用一些傳感器對它進行高精度的檢測。同時我們可以思考使用晶圓上的材料，重要是基于高能石墨烯的陽極材料，加上一定量的氫氣，于是我們看到在三氯硅氫能夠制備硅和氯化氫，同時我們也會看到這種材料帶來很強的效率上的提升，達到了80%。這里是很多半導(dǎo)體的公司，他們在自己的實際硅集成工藝當中是怎么做的，在這個過程當中，他們是用工業(yè)化的生產(chǎn)，包括生產(chǎn)罐等這種方式，通過化學(xué)反應(yīng)，在較低成本基礎(chǔ)上完成硅工藝的集成。在阿貢國家實驗室的網(wǎng)站上大家可以下載相關(guān)的一些信息，有很多信息都是開放的。同時我們看到從鋰離子的角度來說，現(xiàn)在硅基的陽極材料加上高容量的陰極，可以給電池系統(tǒng)供應(yīng)一個風(fēng)險相對來說比較中等的途徑。能夠達到的是低于125千瓦時電池的功率，同時使用一些預(yù)燃技術(shù)的話，系統(tǒng)成本可以降到1000美元/千瓦時，因為時間有限，我們還有一些新的項目，但是沒有時間跟大家來介紹了。
在兩種材料當中新增一個膜狀的結(jié)構(gòu)，去更好提升其表現(xiàn)。假如我們再來看一下硫電池的話，硫也是應(yīng)用在電池中一種新的材料。我想說一說硫電池的內(nèi)容，硫之所以很有挑戰(zhàn)，是因為它有很強的容量，同時有兩個電子，從這個角度來說，能夠幫助我們把現(xiàn)有的需求能夠以兩倍的方式進行滿足。但是我們也了解每噸硫只用100美元就能買到，成本非常低，但是也存在很多的問題。首先就是它的導(dǎo)電性，比如它是不導(dǎo)電的，你要去融入碳，同時會出現(xiàn)浮腫的情況，出現(xiàn)80%體積的浮腫，從設(shè)計的角度來說要考慮到這一點。
另外就是我們也要去考慮到硫材料是存在一些自放電的情況，這也是一個多年都沒能完全解決的問題。還有從陰極的角度來說，也會存在體積的變化，都會使用大量的碳，這樣來實現(xiàn)有效的導(dǎo)電。但是我們決定使用新型的析硫系統(tǒng)確保導(dǎo)電性，為何呢？因為它的導(dǎo)電性，它的導(dǎo)電效率要更高。再一個就是它的能量密度更好，導(dǎo)電率高，再一個，我們還看到它這里是具備高活性物質(zhì)的負載，另外能夠確保高體積的能量密度，除此之外，在很多的日用化學(xué)品當中有很多的應(yīng)用，重要得益于它的屬性。再一個，它還具有價格方面的優(yōu)勢，由于這些原因，我們使用析硫系統(tǒng)來確保導(dǎo)電，這是一個整體的結(jié)果對照，假如我們來使用不同化學(xué)結(jié)果的析硫系統(tǒng)，最后得到的重量比是什么，假如看一下右邊的區(qū)間，他們是有不同的。我們所做的是從ANL電解質(zhì)當中來進行電化學(xué)反應(yīng)，所以最后我們發(fā)現(xiàn)事實上在這樣的電解質(zhì)當中并沒有實現(xiàn)真正的分解以及溶解。除此之外，我們的實驗室還希望確保我們能夠在更多的電解質(zhì)液當中實現(xiàn)比較高的化學(xué)驗證的成果，我給大家展示的這個是一個2D的等高線圖，在這個圖當中我們發(fā)現(xiàn)事實上邊緣的位置并沒有出現(xiàn)明顯的偏移。這兩張圖有很多峰值，左邊顯示有多個還原峰值，右邊只有一個峰值。具體的數(shù)據(jù)也展示在圖表當中。在這樣的情況下，我們能夠達到較高的充電率，比如在2C的情況下能夠達到很高的充電率。我們希望能夠把這樣的技術(shù)進行進一步的推廣和應(yīng)用。
下面我想做一個總結(jié)，不了解我有沒有遵守時間?？偠灾?，現(xiàn)在車輛的電氣化是未來一個大趨勢，但是發(fā)展的速度卻比較慢。我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在成本也是一個居高不下的要素，所以我們要降低成本。有時候成本可能能夠達到三萬到四萬美元之高，所以成本是現(xiàn)在一個重要的障礙。我們會發(fā)現(xiàn)它阻礙電動汽車大規(guī)模的商業(yè)化，為了解決這個問題，我們開發(fā)實現(xiàn)了新增電池能量方式的系統(tǒng)，剛剛為大家舉的例子，第一個就是我們新型高能鋰離子系統(tǒng)，再一個就是我剛剛為大家介紹的析硫系統(tǒng)，作為導(dǎo)電的材質(zhì)，能夠更加有效的使得電解質(zhì)實現(xiàn)消除溶解還有穿梭效應(yīng)。謝謝！
