萬(wàn)龍精益導控Feli 1200跟著(zhù)李泓老師《科普中國·直擊最前沿》崛起的中國電池

2016年創(chuàng )造性地提出了用不燃燒的固態(tài)電池，替代可燃的電解液。

是什么技術(shù)，讓中國電池不受資源制約？

鈉離子電池的技術(shù)，將有望成為國家電池產(chǎn)業(yè)，戰略性地支撐的力量。

又是什么材料，讓中國鋰電領(lǐng)跑全球？

中國可以在這個(gè)領(lǐng)域，超越西方國家，這句話(huà)放到今天來(lái)回想，簡(jiǎn)直就像開(kāi)了天眼一樣。

《科普中國·直擊最前沿》邀請中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓，講述中國電池的崛起。

崛起的中國電池

弘揚科學(xué)精神，普及科學(xué)知識，為貫徹落實(shí)國務(wù)院印發(fā)的全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規劃綱要中國科協(xié)科普部和北京廣播電視臺共同推出國內首檔科學(xué)家演講電視科普欄目。

2024中國汽車(chē)重慶論壇在6月6號舉辦，上汽集團的宣布將在2026年量產(chǎn)固態(tài)電池，固態(tài)電池的能量密度將會(huì )超過(guò)每公斤400瓦時(shí)，同時(shí)將會(huì )具備更好的安全性能和低溫性能。那么到底什么是固態(tài)電池？固態(tài)電池的發(fā)展和量產(chǎn)又會(huì )給我們的生活帶來(lái)什么樣的改變呢？

特邀嘉賓李泓：中國科學(xué)院物理研究所研究員，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃儲能與智能電網(wǎng)專(zhuān)項指南編寫(xiě)總體組組長(cháng)，他帶領(lǐng)團隊研發(fā)出鋰離子電池，納米硅碳負極材料，并開(kāi)發(fā)了高能量密度混合固液和全固態(tài)鋰電池，助力中國鋰電領(lǐng)跑全球。

以創(chuàng )新之力，探索電池技術(shù)的前沿，用科技之光，照亮社會(huì )進(jìn)步的道路。

鋰離子電池的電解液，一直以來(lái)都是廣泛的使用，正常使用的時(shí)候是不會(huì )有問(wèn)題的，但在一些極端的情況下，特別是高熱的情況或者過(guò)充的情況下，它容易燃燒起火爆炸，大家就在想，能不能把這種容易燃燒的電解液逐漸的減少，最后變成一個(gè)不容易燃燒的完全是固體的這個(gè)電池，這樣就實(shí)現了從液態(tài)到半固態(tài)到全固態(tài)這項技術(shù)的迭代和創(chuàng )新。

液態(tài)電池，鋰離子在液體中穿梭運動(dòng)就好像順著(zhù)河流往前走，如果把所有的液體都抽干了，像一個(gè)干涸的土地一樣，科學(xué)家就想辦法，如何在一個(gè)完全固態(tài)的體系里讓離子跑得非?？?，所以實(shí)際上從液態(tài)到固態(tài)，還是有很多的科學(xué)和技術(shù)上的挑戰。

鋰電池到底安不安全？

我們大部分生產(chǎn)的產(chǎn)品，特別是頂尖企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，是非常安全的，很少會(huì )出現問(wèn)題的。但因為現在，特別是在電動(dòng)自行車(chē)這個(gè)方面，有些銷(xiāo)售商希望電動(dòng)車(chē)跑得更遠，甚至把電動(dòng)汽車(chē)淘汰下來(lái)的電池改裝以后直接裝到了電動(dòng)自行車(chē)上，因為畢竟能量密度比鉛酸電池還高，那么不正常的改裝，特別容易導致電池著(zhù)火，第二就是劣質(zhì)的電池，制造的時(shí)候有很多的缺陷，遇到一些振動(dòng)極端的情況下，內部容易短路，也會(huì )出現導致著(zhù)火的這種情況。

今天大家如此關(guān)注電池，歸功于新能源汽車(chē)的崛起，鋰電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，被稱(chēng)為電動(dòng)汽車(chē)的“心臟”，在世界汽車(chē)大國你追我趕逐鹿新能源車(chē)的今天，可以說(shuō)得鋰電池者得天下。

2023年6月30號，一塊由我國自主研發(fā)能量密度達到每公斤360瓦時(shí)的半固態(tài)鋰電池正式交給電動(dòng)汽車(chē)的龍頭企業(yè)，這一進(jìn)展，標志著(zhù)中國在電動(dòng)汽車(chē)大國的道路上，又邁出了重要的一步。被認為是全球電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的重要里程碑。

鮮為人知的是，到達這一里程碑之前，中國科學(xué)院物理研究所科研團隊已經(jīng)在鋰電池領(lǐng)域潛心耕耘了40余年。

上世紀70年代全球爆發(fā)了石油危機，讓全球能源領(lǐng)域第一次意識到，應該找到一種全新的清潔能源的解決方案，作為化石能源的替代品。美國率先布局了未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)，希望能夠繼續稱(chēng)霸能源界。

1976年末，陳立泉老師正在德國馬克斯普朗克固體化學(xué)物理研究所訪(fǎng)問(wèn)，他發(fā)現馬普所正在研究一種固態(tài)電解質(zhì)材料-氮化鋰，這個(gè)材料有可能用于開(kāi)發(fā)固態(tài)鋰離子電池，預期能量密度遠遠高于當時(shí)的鉛酸電池，有望在未來(lái)的產(chǎn)業(yè)中獲得廣泛的應用。陳老師立即決定，選擇這一方向，他便開(kāi)始了固態(tài)鋰電池的研究。在1988年，第一批的全固態(tài)金屬鋰電池在物理所的實(shí)驗室誕生，但在當時(shí)，其距離商業(yè)化應用還非常的遙遠。

起初國內并不掌握液態(tài)鋰離子電池的制造方法，更不了解電池的結構。我們通過(guò)研究發(fā)現，鋰離子電池之所以性能出眾，相對于原來(lái)開(kāi)發(fā)的那些電池，主要是它的材料優(yōu)勢和電極制造的優(yōu)勢，在鋰離子電池制造電極的時(shí)候，是把非常小的正極顆粒做成漿料，涂布在鋁箔上，但要做的很薄，跟以前做電池的工藝完全不一樣，好在咱們中國也參與過(guò)電影膠片的制造，電影膠片也是非常多層的一個(gè)涂布，我們中科院當時(shí)的感光所，現在的理化所，他們也掌握了這個(gè)涂布，所以我們跟感光所的老師經(jīng)過(guò)交流，終于理解了如何讓漿料在鋁箔上涂得非常均勻這個(gè)核心的技術(shù)。經(jīng)過(guò)工程師的改良，那套涂布的裝備，在當時(shí)的電池生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，在進(jìn)一步持續努力基礎上，陳立泉老師帶領(lǐng)團隊建立了圓柱電池的試驗線(xiàn)，誕生了我國第一顆圓柱鋰離子電池。

數年間正極材料不斷突破，然而負極材料的研發(fā)非常緩慢，常規石墨負極材料，接近能量密度極限，已經(jīng)嚴重制約了鋰電池性能密度的繼續提高，和電動(dòng)車(chē)續航的提升

里程嚴重的制約了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，而在高能量密度電池，特別是高能量密度負極材料方面，我們是有儲備的，1996年，我在物理所念博士的時(shí)候，我們就開(kāi)始研發(fā)高能量密度鋰離子電池的硅碳負極材料，并獲得了系列材料的發(fā)明專(zhuān)利的授權，與傳統的負極材料石墨材料相比，硅碳作為負極材料，優(yōu)勢非常明顯，因為硅材料的理論質(zhì)量比容量最高可達4200毫安時(shí)每克，遠高于石墨的理論容量372毫安時(shí)每克，是目前已知負極材料中，理論比容量最高的材料，但是在技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，我們需要克服一系列的困難。

在技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，李泓和他的團隊又遇到了新的困難，硅碳負極材料在電池充放電過(guò)程中，材料體積會(huì )增大數倍，這樣的體積變化，輕則造成電池體積膨脹，重則引發(fā)電池爆炸。如果問(wèn)題不能得到解決，新材料將無(wú)法使用。

最大的一個(gè)技術(shù)難題，對硅負極來(lái)說(shuō)，怎么解決在嵌鋰過(guò)程中存在的巨大的體積膨脹，而這個(gè)問(wèn)題要不解決，就會(huì )限制它在生產(chǎn)實(shí)際中的規?；瘧?。后來(lái)，我們通過(guò)硅材料的納米化技術(shù)，超均勻的分散技術(shù)等一系列的技術(shù)，終于逐步的解決了這一問(wèn)題。2013年，我們已經(jīng)完成了10公斤的小試，在中國科學(xué)院先導專(zhuān)項的支持下，開(kāi)始進(jìn)入到中試放大的階段，到了2016年底，我們完成了從實(shí)驗室到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵的一步，目前已經(jīng)通過(guò)創(chuàng )辦企業(yè)建立了萬(wàn)噸級的生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)的納米硅碳負極材料克容量達到了目前世界的最高水平2000毫安時(shí)每克以上，材料的綜合性能，達到已經(jīng)量產(chǎn)的世界領(lǐng)先水平。

納米硅碳負極材料是我國擁有完全自主知識產(chǎn)權的鋰電池的核心材料，這才有了后來(lái)鋰離子電池能量密度的不斷突破，并支持我們開(kāi)發(fā)的動(dòng)力電池達到了360瓦時(shí)每公斤的一個(gè)世界級的最高水平。逐漸成為了新一代動(dòng)力電池的新的標桿和標配。

隨著(zhù)社會(huì )科技的不斷的進(jìn)步，長(cháng)續航的新能源汽車(chē)、電動(dòng)航空、智能終端、新能源的存儲、國家安全等領(lǐng)域，對鋰電池提出了更高的要求，需要電池既具備高的能量密度，又要有高的安全性，那傳統的液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，能量密度提升越來(lái)越有挑戰，因此我們將目光再次轉到了陳立泉老師早期研究的固態(tài)電池上面。

固態(tài)電池是一種使用固態(tài)的電極材料和固態(tài)電解質(zhì)的電池，它可以搭配新的具有更高能量密度的正極材料和負極材料，這樣的話(huà)可以讓電芯大幅的減重，根據理論的預測，未來(lái)能量密度還可以進(jìn)一步的提升到600瓦時(shí)每公斤以上。這樣的話(huà)有可能會(huì )支持電動(dòng)飛機的發(fā)展。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)一般情況下不容易爆炸燃燒，用不燃燒的固態(tài)電池替代可燃的電解液，固態(tài)電池同時(shí)能夠實(shí)現更高的安全性。

中國要實(shí)現鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的持續領(lǐng)先，必須要發(fā)展固態(tài)鋰電池，物理所在2016年結合早期的全固態(tài)金屬鋰電池和我們開(kāi)發(fā)的液態(tài)鋰離子電池，創(chuàng )造性的提出了基于電解液原位固體化的系統的技術(shù)路線(xiàn)，開(kāi)發(fā)了具有我國知識產(chǎn)權的固態(tài)電池技術(shù)的專(zhuān)利群，形成了整體解決方案。2024年6月6號，浙江龍泉磷酸鐵鋰儲能電站順利并網(wǎng)，使得我國在全球范圍內率先實(shí)現了固態(tài)電池及關(guān)鍵材料的量產(chǎn)和商業(yè)化應用。

那么 高能量密度固態(tài)電池材料和電池究竟是怎么設計出來(lái)的，中科院物理所研究院禹習謙老師詳細介紹了實(shí)驗室情況及電池制作過(guò)程。

幾天前，我們中國科協(xié)的萬(wàn)鋼主席，再次來(lái)到這里調研了我們固態(tài)電池的發(fā)展，他是一直持續的關(guān)心推動(dòng)中國鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步。

如今，我國在動(dòng)力儲能鋰電池市場(chǎng)，全球占有率均位居世界第一，鋰電池中91.6%的專(zhuān)利技術(shù)來(lái)自于中國，這是過(guò)去30多年來(lái)，科學(xué)家和工程師共同努力的結果。

目前我國80%的鋰資源依賴(lài)進(jìn)口，一旦在全球的鋰資源供應上出現了不足的時(shí)候，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展損害會(huì )比較大，因此我們必須開(kāi)發(fā)不受資源限制的電池技術(shù)，那么在所有的電池中，鈉離子電池是一個(gè)非常合適的選擇。中國科學(xué)院物理研究所胡勇勝研究員他們提前布局了鈉離子電池的基礎研究，在國家需要的時(shí)候挺身而出。

2017年我們已經(jīng)建成了百?lài)嵓壊牧系闹性嚲€(xiàn)，包括正極和負極，以及兆瓦時(shí)級產(chǎn)能的電池線(xiàn)，研制出了能量密度達到了150瓦時(shí)每公斤，循環(huán)壽命超過(guò)4500次的鈉離子電池，并先后完成首座100千瓦時(shí)的儲能電站的示范，以及首座1兆瓦時(shí)的鈉離子電池的光儲充智能微網(wǎng)系統的一個(gè)集成。那么這些世界第一的創(chuàng )造，也給世界范圍內提供了鈉離子電池可以商業(yè)化的一個(gè)信心，我們相信鈉離子電池的技術(shù)將有望成為國家電池產(chǎn)業(yè)，和儲能技術(shù)發(fā)展的戰略性的支撐的力量。

經(jīng)過(guò)30多年的技術(shù)發(fā)展，我們國家已經(jīng)形成了以液態(tài)鋰離子電池為基礎，半固態(tài)電池進(jìn)入市場(chǎng)，全固態(tài)電池全面研發(fā)，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的多種電化學(xué)儲能技術(shù)加速發(fā)展的一個(gè)態(tài)勢，我們也將會(huì )和世界范圍內的優(yōu)秀團隊繼續密切合作，為中國電池技術(shù)的進(jìn)步，為人類(lèi)社會(huì )更高質(zhì)量的發(fā)展，為雙碳目標的實(shí)現，作出重要的貢獻。

北京萬(wàn)龍精益導控技術(shù)有限公司研制的Feli1200電池超聲波檢測系統已服役于中科院物理所，服務(wù)固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)，助力新能源電池產(chǎn)業(yè)升級。

Feli 系列電池超聲波檢測系統在鋰電池研究領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。利用聲波對電芯內物理化學(xué)變化的敏感性進(jìn)行原位無(wú)損的成像，進(jìn)而得到電池內部狀態(tài)變化信息?？梢詫﹄娊庖旱慕櫊顟B(tài)、電芯副反應產(chǎn)氣、電芯析鋰的進(jìn)行研究，以及對電芯荷電狀態(tài)和循環(huán)穩定性等進(jìn)行預估，為電池的健康狀況進(jìn)行綜合評估、為優(yōu)化電池裝配工藝、分析電池失效機制等方面提供了無(wú)損技術(shù)手段和有效途徑，有助于實(shí)現電池的安全性預警與故障的及早排除。

Feli 系列電池超聲波檢測系統是一種無(wú)損原位表征手段，廣泛應用于電池生產(chǎn)廠(chǎng)、高校、研究院所，消防以及電池回收利用等領(lǐng)域。

可實(shí)現多種顯示功能：A掃描波形、B掃描斷面圖、C掃描圖像、D掃描顯示、層析等?？赏ㄟ^(guò)缺陷識別功能統計析鋰面積、氣泡面積、浸潤效果等數據。

相較于傳統電性能電池檢測手段，有助于縮短電池的研發(fā)周期，特別是與充放電、溫度控制相結合全壽命實(shí)時(shí)在線(xiàn)可視化電池內部變化。及超聲信號早于電信號，有助于電池熱失控早期預警等優(yōu)點(diǎn)。

電池超聲檢測技術(shù)具有效率高、成本小、無(wú)污染且定位精準的特點(diǎn)，為電芯研究、生產(chǎn)、服役、梯次回收提供了有效的原位免拆解表征手段。

該技術(shù)可用于：軟包電池、硬殼電池、固態(tài)電池等

以上相關(guān)信息來(lái)自：《科普中國·直擊最前沿》20240623崛起的中國電池