“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”項目介紹

李 泓

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“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”項目介紹

李 泓

（中國科學院物理研究所，北京 100190；“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”項目組）

2015年科技部組織編制了新能源汽車試點專項實施方案并于11月12日發(fā)布了2016年項目指南，共支持19個項目，其中“1.1”為動力電池新材料新體系。通過競爭，中國科學院物理研究所牽頭申請的“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”項目，與北京大學牽頭申請的“高比能動力電池的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)基礎(chǔ)科學問題研究項目”共同獲得了支持。本文介紹了“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”項目的目的和意義，研究目標，研究內(nèi)容，技術(shù)指標，課題安排，研究基礎(chǔ)，研究挑戰(zhàn)和預期效益。

高能量密度鋰離子電池；半固態(tài)鋰硫電池；固態(tài)鋰空氣電池；電動汽車

2015年，國家科技部發(fā)布了“新能源汽車”試點專項2016年度第一批項目申報指南，該專項總體目標是深化實施新能源汽車“純電驅(qū)動”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略；升級新能源汽車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺；抓住新能源、新材料、信息化等科技帶來的新能源汽車新一輪技術(shù)變革機遇，超前部署研發(fā)下一代技術(shù)；到2020年，建立起完善的新能源汽車科技創(chuàng)新體系，支撐大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2016年試點專項首批在6個技術(shù)方向啟動了19個項目。在“動力電池與電池管理系統(tǒng)”方向，包括了“1.1”動力電池新材料新體系，該項目為基礎(chǔ)前沿類項目。指南確定的考核指標為：新型鋰離子電池樣品能量密度≥400W·h/kg，新體系電池樣品能量密度≥500W·h/kg。項目支持年限為：2016.6.1－2021.5.31。

針對項目“1.1”，中國科學院物理研究所牽頭組織申請了以“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”為題目的項目，通過形式審查、函評、視頻答辯等競爭性申報環(huán)節(jié)，最終獲得了支持，經(jīng)過兩輪預算審核，該項目確定國撥經(jīng)費為3200萬元。項目批準號為2016YFB0100100，下文介紹該項目的主要構(gòu)想和研究內(nèi)容。

1 項目目的和意義

提高動力電池電芯能量密度，有利于提高電動汽車續(xù)駛里程，顯著降低成本、延長使用壽命。以北汽EV200電動汽車為例，保持現(xiàn)有電池包體積（220L）和每噸百公里電耗不變，電芯能量密度提高到400 W·h/kg（800W·h/L）后，一次充電可以續(xù)航620公里，遠高于目前采用180W·h/kg電芯，續(xù)航里程200公里的水平。該項目提出的電池能量密度如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將徹底克服目前電動汽車與燃油車續(xù)航里程之間的較大差異，對于推動電動汽車發(fā)展將起到十分關(guān)鍵的作用。動力電池的技術(shù)指標要求在各類儲能應用中相對較高，發(fā)展高能量密度動力電池技術(shù)還將有利于提升智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、分布式能源、消費電子、航空航天、國防安全等領(lǐng)域電池應用的水平。

作為國家新能源汽車動力電池全鏈條整體布局的一個重要環(huán)節(jié)，本項目的任務(wù)是在產(chǎn)業(yè)鏈最前端開發(fā)高能量密度新型電池，深入理解高能量密度電池關(guān)鍵基礎(chǔ)科學問題，提供創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)解決方案，為中國企業(yè)同步開發(fā)300 W·h/kg電芯提供重要參考依據(jù)和指導意見。

“長續(xù)航動力鋰電池新材料與新體系研究”研發(fā)團隊將在該項目中，通過系統(tǒng)扎實的合作研究，共同承擔挑戰(zhàn)電池極限能量密度的任務(wù)，通過完成本項目，完善我國在下一代高能量密度鋰電池前沿研究的戰(zhàn)略布局，顯著提高我國電池技術(shù)核心競爭力，為最終實現(xiàn)我國在下一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢地位奠定基礎(chǔ)。

2 項目總體目標

本項目主要目標是提供高能量密度鋰離子電池和新電池體系的科學與技術(shù)解決方案。本項目提出研究三種電池，其中鋰離子電池能量密度達到400W·h/kg，半固態(tài)鋰硫電池能量密度達到500W·h/kg，固態(tài)鋰空氣電池能量密度達到600W·h/kg。

3 項目主要研究內(nèi)容和主要技術(shù)指標

本項目將利用中國科學院物理所正在建設(shè)的世界先進水平的互聯(lián)互通惰性氣氛電池材料綜合分析平臺（CAFFES）及中國科學院蘇州納米所正在建立的真空互聯(lián)電池研究平臺（Nano-X之電池平臺），通過發(fā)展先進的原位和非原位表征技術(shù)，研究關(guān)鍵電池材料從原子尺度到宏觀尺度的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、動力學、界面特性隨充放電過程中的演化規(guī)律及失效機制；發(fā)展和優(yōu)化高性能、低成本的新型電池材料、電極、電芯及模塊的設(shè)計、制造和應用技術(shù)；通過電極與電池動力學研究，建立電池極化模型，發(fā)展適用于三類電池的先進電源管理技術(shù)；研究并建立高能量密度新型鋰電池體系的安全性、環(huán)境適應性應用標準。

本項目設(shè)立8個課題，具體見表1。

表1 本項目課題基本情況

每個課題的具體技術(shù)指標見表2。

表2 每個課題的具體技術(shù)指標

各課題間合作關(guān)系如圖1所示。

4 項目擬解決的關(guān)鍵科學與技術(shù)問題

圍繞項目的總體目標和技術(shù)指標，提出了本項目擬解決的23項科學與技術(shù)問題：①提高納米硅碳負極材料循環(huán)性、倍率特性的技術(shù)；②提高富鋰錳基復合正極材料循環(huán)性、倍率特性、抑制電位衰減的技術(shù)；③400W·h/kg 鋰離子電池的實現(xiàn)及綜合技術(shù)指標的提升技術(shù)；④提高硫碳納米復合材料電化學活性的新途徑和新技術(shù)；⑤大面積固體電解質(zhì)雙面保護金屬鋰的制備技術(shù)；⑥500W·h/kg 半固態(tài)鋰硫電池循環(huán)性、安全性、倍率特性的提升技術(shù)；⑦空氣正極高容量、低極化、長循環(huán)實現(xiàn)的科學基礎(chǔ)；⑧雙功能電催化劑的固相催化反應機理；⑨復雜氣固體系的離子、電子、氣體輸運機制；⑩高能量密度固態(tài)鋰空氣電池的設(shè)計與實現(xiàn)；?5 V高安全鋰離子電池電解液的分子設(shè)計及其實現(xiàn)；?低界面電阻、高穩(wěn)定性的SEI 膜成膜添加劑技術(shù)；?高浸潤、高離子電導、高安全的鋰硫電池電解液；?空氣中穩(wěn)定的鋰空電池離子液體添加劑；?高穩(wěn)定性固體電解質(zhì)材料與聚合物基材的選擇；?大面積離子導體涂層隔膜的均勻快速制備工藝；?新一代電池體系中的固固與固液界面的反應、輸運、電位分布問題；?新一代電池體系中的SEI 膜生長機理、影響因素、穩(wěn)定性、控制策略等；?充放電過程中電極材料表面到體相的晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)演化；?高能量密度鋰離子、鋰硫、鋰空電池的失效機制；時間分辨透射電鏡、原位球差電鏡、變溫中子衍射用于鋰電池研究的實驗技術(shù)；高能量密度鋰離子、鋰硫、鋰空氣電池極化機理分析及模型的建立；寬電壓范圍電池能量密度高效利用的電池管理技術(shù)。

5 項目團隊及研究基礎(chǔ)介紹

本項目承擔單位包括中國科學院的11家單位，分別是物理研究所、寧波材料技術(shù)與工程研究所、化學研究所、大連化學與物理研究所、金屬研究所、長春應用化學研究所、福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所、過程工程研究所、理化技術(shù)研究所、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、電工研究所以及北京新能源汽車股份有限公司共12家單位。研究團隊涵蓋動力電池、正極、負極、隔膜、電解液、添加劑、鋰硫、鋰空、仿真、模擬、電動汽車等專業(yè)方向。

在承擔本項目之前，本項目研究團隊基本掌握了納米硅碳、富鋰錳基、離子導體涂層隔膜、5 V電解液、固體電解質(zhì)、石墨烯導電涂層等多種關(guān)鍵材料的核心技術(shù)；已經(jīng)研制出能量密度達到375 W·h/kg的24 A·h鋰離子電池，室溫能量密度達到565 W·h/kg的37A·h液態(tài)電解質(zhì)鋰硫電池，室溫能量密度達到526 W·h/kg的5A·h液態(tài)電解質(zhì)鋰氧氣電池。研究團隊在電源管理與動力學分析方面擁有20余年的經(jīng)驗，擁有國內(nèi)最先進的電池綜合分析測試平臺CAFFES與Nano-X；北京新能源汽車股份有限公司（北汽新能源）為國內(nèi)純電動汽車銷量第一單位，并擁有先進的電池安全與環(huán)境適應性綜合測試平臺。中國科學院研究團隊自2013年起在科學院戰(zhàn)略先導專項項目“變革性納米產(chǎn)業(yè)技術(shù)聚焦”內(nèi)開展了合作，并在2015年4月與北汽新能源啟動了戰(zhàn)略合作，擁有良好的合作基礎(chǔ)。各團隊在各自研究方向上已與國內(nèi)領(lǐng)先的材料、電芯、電源管理、模組、汽車企業(yè)建立了實質(zhì)性合作關(guān)系，并和國內(nèi)外研究機構(gòu)和團隊建立了良好的互動交流與合作關(guān)系。

6 技術(shù)挑戰(zhàn)與風險

截止到2015年底，量產(chǎn)18650型鋰離子圓柱電芯的能量密度為265W·h/kg, 軟包鋰離子電池電芯為180～200W·h/kg, 按照科技部及工信部要求以及企業(yè)研發(fā)水平，多數(shù)領(lǐng)先企業(yè)制定的開發(fā)目標為2020年動力電池電芯達到300 W·h/kg、600W·h/L?？萍疾恐改虾捅卷椖刻岢龅募夹g(shù)指標將電芯能量密度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升了1～3倍。按照過去25年量產(chǎn)鋰離子電池能量密度提升發(fā)展的速度，預計2030年電芯能量密度才能達到390 W·h/kg，顯然無法完成指南提出的400W·h/kg和500 W·h/kg的技術(shù)指標，需要全面的突破性創(chuàng)新技術(shù)。目前下一代鋰電池技術(shù)路線存在著多種選擇，如何選擇合理的技術(shù)路線，準確理解其中涉及的科學問題，確定核心技術(shù)及解決方案是研發(fā)成功的關(guān)鍵。

為了降低技術(shù)風險，減少技術(shù)路線選擇的不確定性，本項目確定的技術(shù)路線及材料體系的選擇是基于系統(tǒng)的熱力學計算以及工程化計算，并結(jié)合實際的研究結(jié)果。目前，我們研制的鋰離子電池和鋰硫電池、鋰空氣電池已經(jīng)基本實現(xiàn)了2016年指南提出的電芯能量密度的技術(shù)指標要求，因此本項目重點解決高能量密度電芯的循環(huán)性、安全性和功率特性，優(yōu)化電池材料結(jié)構(gòu)、組成、工藝，優(yōu)化電極與電芯設(shè)計以及化成工藝，深入準確理解新型電芯中的基礎(chǔ)科學問題，掌握電芯失效機制，以及高能量密度電芯的安全性問題，從而逐漸理解挑戰(zhàn)電化學儲能極限時遇到的科學與技術(shù)問題。

目前項目承擔單位在第三代鋰離子電池、鋰硫、鋰空氣電池方面具有較好的研究基礎(chǔ)，擁有先進的鋰電池基礎(chǔ)科學與應用開發(fā)實驗平臺，研究團隊成員與國內(nèi)外鋰電池研究團隊、鋰電池材料與電芯制造企業(yè)以及汽車企業(yè)保持著密切的合作關(guān)系。項目啟動后，基于項目研究成果和進展，將經(jīng)常邀請項目內(nèi)外專家學者及電池企業(yè)充分交流與合作，在研究過程中強化優(yōu)勢技術(shù)，及時調(diào)整不合適的解決方案，盡量降低完成本項目的技術(shù)風險。

7 項目預期效益

動力電池是電動汽車的關(guān)鍵核心組件之一，高能量密度鋰電池技術(shù)是未來電池發(fā)展的重要方向，挑戰(zhàn)動力電池能量密度極限也是研究機構(gòu)的主要研發(fā)目標之一。通過本項目的實施和團隊聯(lián)合攻關(guān)，有望加快新一代鋰電池材料及器件技術(shù)研發(fā)，獲得關(guān)鍵材料的結(jié)構(gòu)演化機制和性能改善策略，深入理解關(guān)鍵電極材料及其反應過程、反應動力學、性能演變等基礎(chǔ)科學問題，掌握電池極化模型和仿真設(shè)計方法，發(fā)展電極微結(jié)構(gòu)和電極表界面的原位表征方法，提高動力電池安全性與環(huán)境適應性，最終突破400 W·h/kg 鋰離子電池、500W·h/kg 半固態(tài)鋰硫電池、600 W·h/kg固態(tài)鋰空氣電池的項目目標。目前，我國動力鋰離子電池核心技術(shù)與日韓國家相比尚有一定差距，本項目的研發(fā)成功將有利于完善我國在下一代高能量密度鋰電池技術(shù)方面的戰(zhàn)略布局，顯著提升我國未來在高能量密度電池的核心競爭力，為最終確立我國在下一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢地位奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上促進動力電池產(chǎn)業(yè)升級，因此具有十分重要的科學、技術(shù)、社會、經(jīng)濟方面的意義。

Project “High energy density lithium batteries for long range EV”

(Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)

Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (MOST) initiates national new energy vehicles pilot project in 2015 for next 5 years. Totally 19 projects are announced in 2016. The project 1.1 is a 5-year fundamental research type project (2016—2020) with a 32M￥ budget，aiming to increase the energy density of EV batteries. Two targets are purposed: 400 W·h/kg for Li-ion batteries and 500 W·h/kg for new batteries. After 3 rounds review and defense, a team led by Institute of Physics, CAS wins the project. The title of the project is “High energy density lithium batteries for long range EV”. Scientific problems and technologies of three types batteries will be studied: 400 W·h/kg lithium ion batteries, 500 W·h/kg half-solid Li-S batteries and 600 W·h/kg solid Li-air batteries. This project includes 11 CAS institutes and one company BJEV as partners.

high energy density Li-ion batteries; half-solid Li-S batteries; solid-state Li-air batteries; electric vehicles

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0069

TM 911

A

2095-4239（2016）06-915-04

2016-08-30；修改稿日期：2016-09-02。

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0100100）。

李泓（1970—），男，研究員，研究方向為鋰離子電池、固態(tài)鋰電池、失效分析，E-mail：hli@iphy.ac.cn。