美国阿贡国家实验室Khalil Amine:锂离子电池的一些进展

1月10-12日,2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题,邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表,就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是美国阿贡国家实验室教授,Khalil Amine在本次论坛上的发言: 美国阿贡国家实验室教授 Khalil Amine 谢谢欧阳教授对我的介绍。今天我想跟大家来分享一些在能源包括锂离子电池等等这方面的一些进展。 首先我们从这一页内容去看一下,它向我们展示2015年人类行为的能源流动情况,除了交通运输之外,我们看到实际上运输行业是唯一仅依赖一个能源供应链的主要行业。电力是多种能源一个统一的能源载体,所以实际上我们也在交通运输当中浪费了一半的能源,这种情况是不可持续的。 在美国我们看到70%的化石燃料是用于交通运输,85%的化石燃料消费都是在路上的汽车所使用的。同时我们看到交通运输在美国是家庭支出第二大的项目,第一大项目当然是住房了。我们也需要去实现更多的电动化和更多的减排努力,同时交通运输现在毫无疑问,在电动化方面是处在世界的领先地位。中国占了世界上一半的电动汽车的生产量,绝大多数的地区包括像欧盟和中国我们都看到,到2020年之前,将会去实现电动化的目标。 目前我们看到传统汽车和电动汽车在中国是处在一个齐头并进的状态,在美国我们也看到相对来说, MPG的比例要低于另外两个主要的经济体,就是中国和欧盟。在这里是我们在彭博新闻社看到的一个研究,在彭博新闻他们所做的一项关于新能源的研究,主要是关注于在新能源方面的资金,我们看到中国是领先全世界的。蓝色代表的是美国,绿色代表的是欧洲,在最上面深绿色代表的是世界其他地区,所以我们能够看到中国在新能源方面的投资是在越来越快的增长,而且它的体量也是世界上最大的了。但是如果我们看一下成本,仍然是进一步的加大我们电动化进程一个主要的挑战,同时我们也可以看到现在美国也在这方面做了大量的努力。 我们从成本的角度来看一下,目前进一步进行电动化主要从成本角度来说,现有的项目从我们预测的成本角度来说,仍然还是我们预测成本的两倍,同时我们也看到近期的一些目标主要是希望成本能够做到125美元/kWh,同时我们看到从长期目标成本的角度来说,希望能够把它降到80-100美元/kWh。同时从这里我们能看到,不断的去加强电池的能量密度,同时降低成本的话,我们前景还是非常明确的。比如在左边展示的是现有的比如像聆风电动汽车的电池,一般是23kWh,125liters等等这样一些数据,从这个角度,我们可以大幅缩小它的大小。另外我们需要去充分稳定电解液它的电压,比如如果我们能够达到4.7V电压的话,在下一代的技术当中,我们就能够去实现一个非常显著的提升。 从阳极的角度来说,今天的技术实际上主要是基于石墨的,在350 mAh /g这样一个密度,下一代是否能够达到1000 mAh /g,从阴极的角度来说,今天的技术主要是170毫安时/克,下一代期待能够达到250-300 mAh /g,我们从新的高能应急的角度来看一下,在每个例子上是否能够实现一个密度的提升,我们开发了一个新的技术叫做FCG,就是全密度的梯度的锂离子。从这个角度来说,你会看到镍离子是出现在表面层,从这方面你就能够获得由锰带来的稳定性和镍带来的很好的导电性。从这里看到,如果降低镍,提升锰的话,就能够在这里去有效的提升电池的效率。我们还可以选择把这个锰和镍两者进行一个分离,于是我们可以控制两种金属的密度。接下来我们还可以看一下,绿色的是镍,橙色的是混合,红色的是锰,这就是大概从结构空间分布的角度来说,它们三个是怎么分布的。 我们可以看一下从FCG和NMC的比较,是6:2:2是在第一张图,它的密度是2.5克每CC,如果看上面这些图的话,你会发现主要的颗粒是球形的,同时从锂迁移的角度来说,主要是颗粒边界,我们可以看到低电压时候的锂的提取度是没有那么高的。在下面这张图中看到的是具有梯度成分的致密杆状的结构,在右下角这张图介绍了一下分层的情况,以及杆状结构的平行的情况。在低电压下,锂的清除的速度相对更快,清除的程度是更彻底的。 在这里我们也是进行了第一次充电的比较,分别是FCG811和FCG622之间的比较,我们看到在右图当中,从放电的容量角度,我们在225 mAh /g这样一个密度下,能够实现具体的电压是多少,同时我们能够看到由于独特的形态,从分层到初级离子方面,FCG622在4.3V电压下是第一次充电能力能够达到刚才说到的225 mAh /g。我们可以看一下在这里有很多金属能够给我们带来很好的效应,比如硅就是低成本的金属,同时它也给我们提供了一些基于体积角度最好的一些密度方面的表现。我们跟其他的金属来进行比较,会看到实际上从应用的角度来说,硅可以成为一种非常有前景的金属候选。我们还可以看到实际上通过去增加阳极的电容,能够有效的提升电池的能量。也就是说通过这种非碳阳极材料,同锂离子加上储能金属的组合,我们能够实现非碳基的阳极材料新的构成。从下面这些数据角度来说,我们看到是在非常低的载荷下的一些数字,这些数字看上去跟现实当中的载荷是有很大的差距。但是我们得到的一些数字还是比较令人感到满意的,所以在美国阿贡国家实验室当中,我们尝试去找到一些如何能够提升规模化发展的机会。主要基于把硅和碳作为主要的阳极材料,我们知道像这里面介绍的主要是硅晶圆上面的材料,它的成本早就工业化了,所以降的非常低,它有高度的毒性,所以是一个非常危险的材料。当然在实际使用当中,为了去避免出现中毒的情况,经常会使用一些传感器对它进行高精度的检测。同时我们可以思考使用晶圆上的材料,主要是基于高能石墨烯的阳极材料,加上一定量的氢气,于是我们看到在三氯硅氢能够制备硅和氯化氢,同时我们也会看到这种材料带来很强的效率上的提升,达到了80%。这里是很多半导体的企业,他们在自己的实际硅集成工艺当中是怎么做的,在这个过程当中,他们是用工业化的生产,包括生产罐等这种方式,通过化学反应,在较低成本基础上完成硅工艺的集成。在阿贡国家实验室的网站上大家可以下载相关的一些信息,有很多信息都是开放的。同时我们看到从锂离子的角度来说,现在硅基的阳极材料加上高容量的阴极,可以给电池系统提供一个风险相对来说比较中等的途径。能够达到的是低于125千瓦时电池的功率,同时使用一些预燃技术的话,系统成本可以降到1000美元/千瓦时,因为时间有限,我们还有一些新的项目,但是没有时间跟大家来介绍了。 在两种材料当中增加一个膜状的结构,去更好提升其表现。如果我们再来看一下硫电池的话,硫也是应用在电池中一种新的材料。我想说一说硫电池的内容,硫之所以很有挑战,是因为它有很强的容量,同时有两个电子,从这个角度来说,能够帮助我们把现有的需求能够以两倍的方式进行满足。但是我们也知道每吨硫只用100美元就能买到,成本非常低,但是也存在很多的问题。首先就是它的导电性,比如它是不导电的,你需要去融入碳,同时会出现浮肿的情况,出现80%体积的浮肿,从设计的角度来说需要考虑到这一点。 另外就是我们也需要去考虑到硫材料是存在一些自放电的情况,这也是一个多年都没能完全解决的问题。还有从阴极的角度来说,也会存在体积的变化,都会使用大量的碳,这样来实现有效的导电。但是我们决定使用新型的析硫系统确保导电性,为什么呢?因为它的导电性,它的导电效率要更高。再一个就是它的能量密度更好,导电率高,再一个,我们还看到它这里是具备高活性物质的负载,另外能够确保高体积的能量密度,除此之外,在很多的日用化学品当中有很多的应用,主要得益于它的属性。再一个,它还具有价格方面的优势,由于这些原因,我们使用析硫系统来确保导电,这是一个整体的结果对照,如果我们来使用不同化学结果的析硫系统,最后得到的重量比是什么,如果看一下右边的区间,他们是有不同的。我们所做的是从ANL电解质当中来进行电化学反应,所以最后我们发现事实上在这样的电解质当中并没有实现真正的分解以及溶解。除此之外,我们的实验室还希望确保我们能够在更多的电解质液当中实现比较高的化学验证的成果,我给大家展示的这个是一个2D的等高线图,在这个图当中我们发现事实上边缘的位置并没有出现明显的偏移。这两张图有很多峰值,左边显示有多个还原峰值,右边只有一个峰值。具体的数据也展示在图表当中。在这样的情况下,我们能够达到较高的充电率,比如在2C的情况下能够达到很高的充电率。我们希望能够把这样的技术进行进一步的推广和应用。 下面我想做一个总结,不知道我有没有遵守时间。总而言之,现在车辆的电气化是未来一个大趋势,但是发展的速度却比较慢。我们发现现在成本也是一个居高不下的要素,所以我们需要降低成本。有时候成本可能能够达到三万到四万美元之高,所以成本是现在一个主要的障碍。我们会发现它阻碍电动汽车大规模的商业化,为了解决这个问题,我们开发实现了增加电池能量方式的系统,刚刚为大家举的例子,第一个就是我们新型高能锂离子系统,再一个就是我刚刚为大家介绍的析硫系统,作为导电的材质,能够更加有效的使得电解质实现消除溶解还有穿梭效应。谢谢!