鉅大LARGE | 點擊量：828次 | 2019年02月23日
能量密度提升與綠色回收技術(shù)研發(fā)是動力電池的發(fā)展方向
我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的跨越式增長，促進(jìn)了動力電池技術(shù)高速發(fā)展，隨之而來的動力電池退役問題，引發(fā)各方關(guān)注。8月1日，《新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定》(簡稱《回收溯源規(guī)定》)將正式實施，強調(diào)落實生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度，要求汽車生產(chǎn)企業(yè)承擔(dān)動力蓄電池回收的主體責(zé)任。這一規(guī)定為避免來資源浪費和環(huán)境污染帶來福音。
中國工程院院士、北京理工大學(xué)綠色能源研究所所長吳鋒在接受記者采訪時表示，發(fā)展鋰電產(chǎn)業(yè)，需要同時做好先進(jìn)電池技術(shù)研發(fā)與鋰資源高效利用。對于動力電池回收，應(yīng)盡量采用綠色回收技術(shù)，避免對環(huán)境造成二次污染。
前沿突破需多方共進(jìn)
早在2000年我國電動汽車項目啟動之初，時任科技部部長徐冠華曾指出，電動汽車的關(guān)鍵是電池。目前鋰電池已成為各方關(guān)注的熱點。在吳鋒看來，鋰離子電池由于具有比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好、可快速充放電等優(yōu)點，使得相關(guān)技術(shù)及關(guān)鍵材料，成為當(dāng)前國際競相研發(fā)的熱點，并成為新一代信息通訊(5G)、電動汽車、儲能電站與特種安全等重大應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。最近有報道稱，美國宇航局(NASA)正在研發(fā)的X-57純電動飛機項目已經(jīng)進(jìn)行3年時間，即將實現(xiàn)首航，實現(xiàn)空中零排放，以后的商用化更需要電池技術(shù)的突破發(fā)展。
我國新能源汽車補貼已呈現(xiàn)去補貼化的態(tài)勢。今年財政部、工信部、科技部、發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》，純電動乘用車的補貼開始退坡，并進(jìn)一步提高了對動力電池能量密度的要求。吳鋒認(rèn)為，動力電池和新能源汽車的發(fā)展必須要力爭滿足市場的發(fā)展需求。國家此舉意在鼓勵高能量密度電池的發(fā)展，以實現(xiàn)新能源汽車更長的續(xù)航里程，滿足市場的進(jìn)一步需求。2020年補貼即將取消，當(dāng)務(wù)之急是想辦法讓電池和新能源汽車更好地適應(yīng)市場的發(fā)展和需求。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
自“十三五”以來，動力電池能量密度指標(biāo)的發(fā)展趨勢越來越高。2015年動力鋰離子電池能量密度指標(biāo)為電芯120～180瓦時/公斤，材料體系主要是磷酸鐵鋰—石墨、三元材料—石墨。從近期來看，2020年新一代動力鋰離子電池能量密度指標(biāo)是：富鋰材料-硅碳負(fù)極體系電芯為300瓦時/公斤。從中遠(yuǎn)期來看，中期(2025年)要實現(xiàn)400瓦時/公斤，遠(yuǎn)期(2030年)要實現(xiàn)500瓦時/公斤。近年來，電池關(guān)鍵材料和技術(shù)進(jìn)步顯著，但仍有提升的空間。這里指的是綜合性能的提升空間，包括電池的安全性、能量密度、功率密度、壽命、成本等。只有電池綜合性能提升了，才能更好地滿足新能源汽車市場的發(fā)展。
從技術(shù)角度來看，鋰離子電池單純的要做高比能量應(yīng)該可以做到，但要做到高指標(biāo)的產(chǎn)業(yè)化就很難，因為要考慮各種條件的約束。吳鋒認(rèn)為，采用三元正極材料和硅碳負(fù)極材料，可制備出能量密度319瓦時/公斤的高比能鋰離子電池。但動力鋰離子電池能量密度的提高，除與正負(fù)極材料相關(guān)外，對所采用電解液的要求也越來越高，鋰離子電池的危險性其中一個來源在于電解液。
為此，在看清動力電池重要性的同時，也要斟酌一些產(chǎn)業(yè)化指標(biāo)的實現(xiàn)途徑。尤其是作為關(guān)鍵指標(biāo)的電池能量密度，如何在提升比能量的同時兼顧安全性、循環(huán)性、倍率等指標(biāo)，這需要企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)過程中有所側(cè)重。
實際上，目前高比能量電池研究是行業(yè)最前沿技術(shù)。吳鋒正在主持的國家973鋰離子電池研究項目，從2002年開始到現(xiàn)在已經(jīng)歷三期。該項目主要研究思路是，從“輕元素、多電子反應(yīng)”材料入手，結(jié)合多離子效應(yīng)，發(fā)展高活性電極材料，構(gòu)建高比能二次電池新體系。
回收環(huán)節(jié)需要綠色技術(shù)
目前二次電池產(chǎn)量急劇上升，已滲透到國民經(jīng)濟和人民生活的各個領(lǐng)域，電池對社會產(chǎn)生了巨大的環(huán)境和資源壓力。研究顯示，1個20克的手機電池可污染3個標(biāo)準(zhǔn)游泳池容積的水;若廢棄在土地上，可使1平方公里土地污染50年左右。在吳鋒看來，如果是幾噸重的電動汽車動力電池廢棄在自然環(huán)境中，大量重金屬及化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入大自然，將會對環(huán)境造成很大的污染。正是因為存在大量潛在的污染隱患，動力電池行業(yè)必須要加快完善回收處理機制的腳步。
動力電池回收工作越來越得到重視。在全球范圍，吳鋒的預(yù)測是，到2020年全球廢舊鋰電池的數(shù)量約為250億只。對環(huán)境的負(fù)面影響將日趨嚴(yán)重，鋰資源也將日漸匱乏，動力電池回收已經(jīng)迫在眉睫。在這樣的背景下，《回收溯源規(guī)定》8月1日即將落地可謂應(yīng)運而生。
動力鋰離子電池的一般使用壽命約20年，但一般容量衰減至80%以下就會退役，使用時間約為3～8年。作為全球最大的新能源汽車市場，在研發(fā)廢舊鋰電池回收技術(shù)上，吳鋒認(rèn)為應(yīng)該集合全產(chǎn)業(yè)之力，實現(xiàn)重點環(huán)節(jié)逐個突破。動力電池回收牽扯到環(huán)境問題也牽扯到成本問題。畢竟，鋰資源和鈷資源都是不可再生資源，因此廢舊電池材料回收和資源化再生具有重要的經(jīng)濟和社會效益。以日本為例，其通過廢舊金屬回收，每年回收的金的產(chǎn)量超過世界最富產(chǎn)的南非，銀的產(chǎn)量超過世界最富產(chǎn)的波蘭。
在回收技術(shù)方面，目前國內(nèi)外使用較多的是強酸的工藝技術(shù)，難以避免了強酸回收處理中的二次污染。吳鋒團隊采用了環(huán)境消耗天然有機酸的回收技術(shù)，和國外目前采用的強酸、硫酸、硝酸相比，處理過程是綠色的，在萃取率和萃取時間方面都優(yōu)于強酸的水平，實現(xiàn)了廢舊鋰離子電池的綠色高效回收。
對于正極材料，原來是采用天然有機酸(檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸等)對廢舊電池中的金屬離子進(jìn)行回收處理，鋰離子和鈷離子萃取率均在90%以上。最近采用的天然琥珀酸，萃取率由原來的94%提高到99%，萃取出來的電池材料也達(dá)到了要求，可以制備出合格的正極材料。
對于負(fù)極材料，原來大家的思路是覺得回收碳負(fù)極不劃算，北理工團隊的思路是通過廢舊鋰電池負(fù)極回收，研究如何制備碳吸附劑，用于高磷的污水處理。目前磷吸附量高達(dá)588?g/g，是目前最高的碳類吸附劑之一，且處理污水后的吸附劑還可以直接作為土壤緩釋肥使用。
在吳鋒看來，新型綠色二次電池的發(fā)展，起源于二次電池固體電解質(zhì)材料和鎳氫電池儲氫材料的研究，依賴于關(guān)鍵材料技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。其帶領(lǐng)的團隊由北京理工大學(xué)、武漢大學(xué)、清華大學(xué)等多家單位的專家組成，從2002年至今已經(jīng)合作16年之久。多年來的一個經(jīng)驗感悟就是：創(chuàng)新不是炒作，不能急功近利，否則就會曇花一現(xiàn);產(chǎn)業(yè)發(fā)展取決于市場，不能揠苗助長，否則就會是過眼云煙。
