Hat die Lithiumbatterie die Decke erreicht?

Am 1. März veröffentlichten die vier Ministerien und Kommissionen den Aktionsplan für die Entwicklung der Autobatterieindustrie, in dem klare Anforderungen an Batterieleistung, Produktionskapazität, Sicherheit, Materialien und Ausrüstung festgelegt wurden. Wie sollte sich die Industrie angesichts der Aussicht auf 100 Milliarden Wattstunden Entwicklungssprung den "endlosen" neuen Technologien stellen?

Der Reporter interviewte kürzlich Nan Ceven, einen Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Dekan des Instituts für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Tsinghua-Universität. Er glaubt, dass Festkörper-Lithiumbatterien die Sicherheit und Leistung erheblich verbessern werden, aber vor der Industrialisierung ist es immer noch notwendig, diese kontinuierlich zu verbessern. Es gibt Technologien. Mit der kontinuierlichen Entdeckung neuer Materialien sind die Lithiumbatterietechnologie und der Entwicklungsraum der Industrie in Zukunft unendlich.

Der "goldene Schlüssel" zur Lösung von Sicherheitsproblemen

Reporter: Im Jahr 2017 hat die Sicherheit mit dem raschen Ausbau von Elektrofahrzeugen eine beispiellose Aufmerksamkeit erhalten. Was ist Ihrer Meinung nach der Vorteil von Voll-Lithium-Ionen-Batterien gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien?

Nan Cewen: In einfachen Worten ist die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie eine Struktur, bei der die positiven und negativen Pole durch die Membran getrennt und in den organischen Elektrolyten gegossen werden. Elektrolytflüssigkeiten neigen zum Versickern, insbesondere wenn sie durch positive und negative Pole kurzgeschlossen oder überladen werden, was zu einem raschen Temperaturanstieg, Verdunstung und Zersetzung von Elektrolyten führt, was zu einer großen Menge an Gas führt, die dazu führt Sicherheitsprobleme in der Batterie und führen sogar zu Explosionen bei der Verbrennung der Batterie.

Vollfeste Lithiumbatterien verwenden Vollfeststoffelektrolyte, um einen Zwei-in-Eins-Effekt zu erzielen, und ersetzen die Membran und den Elektrolyten herkömmlicher Batterien, um Sicherheitsprobleme zu lösen. Gleichzeitig kann bei Verwendung von Festelektrolyten metallisches Lithium als negative Elektrode verwendet werden, um die Energiedichte zu erhöhen.

Sicherheit ist der Schlüssel und die Grundlage der industriellen Entwicklung und bezieht sich auch auf das Überleben der Batterieindustrie. Die Energiedichte ist der Kern der Industrieforschung und -entwicklung und die Aussicht auf Industrieentwicklung. Unter dem Gesichtspunkt der Lösung von Sicherheitsproblemen und der Verwendung vorhandener Materialien zur Erhöhung der Energiedichte ist zu erwarten, dass vollfeste Lithiumbatterien die Anforderungen der industriellen Entwicklung erfüllen und eine intensive Entwicklung verdienen.

Reporter: Können wir das Sicherheitsproblem auf der Grundlage der vorhandenen Technologie besser lösen?

Nan Cewen: Zur Verbesserung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien stehen verschiedene technische Tools zur Verfügung, z. B. das Batteriemanagementsystem (BMS). BMS ist jedoch ein Mittel zur "Governance", und "Behandlung" muss auch mit dem Batteriematerial selbst beginnen. Unter diesen ist die Verwendung von Keramikmembranen eine gute Richtung, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Auf dem Substrat der Membran wird eine Schicht aus einer Nanokeramik (Al2O3) -Partikelbeschichtung aufgebracht, um die mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit der Membran zu erhöhen, wodurch die Möglichkeit eines direkten Kurzschlusses der positiven und negativen Pole verringert und dadurch verbessert wird Sicherheit. Das Keramikmembranprodukt der neuen Generation ist eine Nano-Keramikfaserbeschichtungsmembran (Jiangsu Qingtao-Energieerzeugung), die eine bessere Wärmebeständigkeit und andere Eigenschaften aufweist und die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien wirksamer verbessert. Das Produkt der zweiten Generation ist eine mit aktiven Keramikfasern beschichtete Membran. Die Verwendung von keramischen Elektrolytfasern erhöht neben der Verbesserung der Sicherheit auch die Leitungsrate von Lithiumionen, wodurch die Verdopplungsleistung der Batterie verbessert wird. Die Gesamtidee besteht darin, die Sicherheit bestehender Lithium-Ionen-Batterien durch die Keramikmembran zu verbessern und diese schrittweise weiterzuentwickeln, um die Membran und die Elektrolyte durch Vollelektrolyte zu ersetzen, um das Sicherheitsproblem vollständig zu lösen.

Journalist: So können Vollfestelektrolyte als "goldener Schlüssel" bezeichnet werden, um die Batteriesicherheit zu lösen. Welche Art von Entwicklungsstrategie sollte die Branche auf der Grundlage des aktuellen industriellen Layouts und der F & E-Situation wählen?

Nan Cewen: Derzeit repräsentieren Bolloré in Frankreich, Sakti3 in den USA und Toyota in Japan die Forschungs- und Entwicklungsrichtungen von drei wichtigen Festelektrolyten: Polymere, Oxide und Sulfide. Tatsächlich ist die Kombination mehrerer Methoden auch eine Denkweise. Wenn beispielsweise anorganische Materialien mit organischen Materialien kombiniert werden, besteht das Gesamtprinzip darin, zwischen mehreren Lösungen zu versuchen. Die wahrscheinlichere Entwicklungsstrategie für die Zukunft besteht darin, die Anzahl der Elektrolyte, beispielsweise von 20% auf 30% auf 5% auf 10% oder sogar 0, langsam zu ändern und schrittweise zu verringern und sich allmählich von halbfest zu vollständig zu entwickeln. solide.

Obwohl der derzeitige Vollbatterietyp "weit davon entfernt ist, zu fast durstig zu werden" und es noch nicht möglich ist, eine Industrialisierung zu erreichen, hat die Industrie zuvor bestehende Technologien kontinuierlich verbessert und die Sicherheit und Energiedichte bestehender Batterien schrittweise verbessert . Verbessern Sie beispielsweise das vorhandene Materialverhältnis, die Elektrolytleistung, das Batteriemanagementsystem (BMS) usw.

Forschung und Industrialisierung: von 1% bis 100%

Interviewer: Was erwarten Sie von der Industrialisierung rein fester Lithium-Ionen-Batterien?

Nan Cewen: Für die Industrialisierung wird die inländische Formulierung im Allgemeinen bis 2020–2025 erreicht, und einige Experten haben vorgeschlagen, innerhalb von fünf Jahren eine Industrialisierung anzustreben. Dieses Ziel wird nur möglich sein, wenn wir zusammenarbeiten. Natürlich hängt es auch vom Grad und Umfang der Industrialisierungsstandards ab. Beispielsweise wird berichtet, dass BMW nicht das Ziel hat, bis 2028 eine Vermarktungsagenda anzukündigen, sondern früher stark in Vollbatterien investiert und hart gearbeitet hat.

Interviewer: In welchen Bereichen werden künftig ausschließlich feste Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt?

Nan Cewen: Vollfeste Batterien werden derzeit in speziellen Branchen wie Luft- und Raumfahrt und medizinischer Versorgung eingesetzt, für die absolute Sicherheitsanforderungen gelten. Die Zukunft hat gute Perspektiven in den Bereichen Strom- und energiespeicherung.

Reporter: Als neue Technologie werden feste Lithium-Ionen-Batterien unweigerlich Probleme wie unreife Technologie und hohe Kosten haben. Wie beurteilen Sie die Ansicht, dass hohe Kosten der größte Engpass in der Industrialisierung sind?

Nan Cewen: All-Solid-lithium-ionen-akku verdoppeln die Leistung insgesamt niedrig und andere Probleme, sind wissenschaftliche und technologische Probleme, müssen langsam gelöst werden. Die Kosten sind nicht der größte Engpass. Tatsächlich hat jede neue Technologie oder jedes neue Produkt gerade erst begonnen, herauszukommen, und die Kosten sind höher. Sobald die Produktionstechnologie ausgereift ist und die Produktion gestiegen ist, werden die Kosten natürlich sinken. Daher sind die Kosten Sache der Branche und kein Problem, das die akademische Gemeinschaft lösen kann.

Gleichzeitig ist das Ziel der Laborforschung und Industrialisierung nicht dasselbe. Wenn Sie nachforschen, um die Möglichkeit und Durchführbarkeit von 1% zu verfolgen, können Sie durch kontinuierliche Versuchs- und Fehlerinnovationen neue Materialien finden, solange es eine Möglichkeit gibt, sogar 1%; Die Branche strebt eine Zuverlässigkeit und Konsistenz von 99% oder sogar 100% an. Es kann nicht arm sein und muss in allen Aspekten berücksichtigt werden. Daher ist es notwendig, um 1% bis 99% oder sogar 100% zu ändern. In der Mitte gibt es eine Brücke und einen Transformationsprozess. Es ist notwendig, das Labor und den mittleren Test schrittweise zu perfektionieren und dann zu vergrößern und zu reifen, um eine vollständige Kontrolle zu erreichen.

Entwicklung ohne "Decke"

Journalist: Der Durchbruch der chemischen Batterie hängt von der Innovation der Materialtechnologie ab. Wie beurteilen Sie aus dieser Sicht die Entwicklungsrichtung von Vollfeststoff-Lithiumbatterien?

Nan Cewen: Im Gegensatz zu den meisten Menschen sind Lithium-Ionen-Batterien nicht mit normalen elektronischen Bauteilen identisch. Sie sind eigentlich komplexe Systeme. Zum Beispiel werden positive und negative Pole durch eine Vielzahl von Materialien zusammengesetzt, und Elektrolyte und Membranen sind auch eine Vielzahl von Gemischen.

Vollfeste Batterien sehen einfach aus, sind aber kompliziert. Beispielsweise enthält die positive Schicht einer flüssigen Lithium-Ionen-Batterie eine Vielzahl von Komponenten, wie beispielsweise einen positiven polaren Wirkstoff, ein leitfähiges Mittel, einen Elektrolyten und ein Bindemittel. Wenn es durch einen vollständig festen Elektrolyten ersetzt wird, weil in der positiven Schicht keine elektrolytische Infiltration vorliegt, ist die Kombination der Komponenten komplex. Die Herstellung flüssiger Lithium-Ionen-Batterien ist wie das Mischen von Zement mit Sand auf dem Boden. Durch Hinzufügen von Wasser können Steine, Sand und Zement entstehen. In Vollbatterien ist jedoch kein flüssiges Material enthalten. Es ist eine große Herausforderung, das Grenzflächenproblem zwischen festen und festen Materialien zu lösen und die Aktivität wirksamer Substanzen sicherzustellen.

Journalist: Was für ein Evolutionsmuster würden Sie von lithiumeisenphosphat über ternäre Batterien mit hohem Nickelgehalt bis hin zu Vollfestbatterien denken?

Nan Cewen: Die Energiedichte einer einzelnen Batterie muss 300 Watt / kg erreichen, und es ist nicht schwierig, neue Produkte auf dem vorhandenen Technologiesystem zu entwickeln. Sobald mehr als 400 bis 500 Watt / kg vorhanden sind, sind neue Durchbrüche erforderlich. Technisch gesehen basiert der Evolutionsweg auf der Zeit, aber Batterien auf verschiedenen technologischen Ebenen sind keine tödlichen Beziehungen und möglicherweise koexistierende Muster. Dies bedeutet, dass nicht die Entstehung einer neuen Generation von Batterien andere Batterien vollständig eliminiert. Es kann ein allmählicher Wechselprozess sein, und es kann auch für eine lange Zeit koexistieren.

Im Fall von Blei-Säure-Batterien wurden Blei-Säure-Batterien bisher nicht vollständig durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt, obwohl ihre Energiedichte gering und ihre Umweltverschmutzung groß ist, und sie haben sich gut entwickelt. Der Grund dafür ist, dass die Kosten niedrig sind, die Sicherheit gut ist und die Probleme wie Recycling und Recycling gelöst wurden. Daher bestand das Unternehmen neben Lithium-Ionen-Batterien. Unterschiedliche Batterien haben unterschiedliche Eigenschaften und existieren in unterschiedlichen Anwendungsbereichen, die für sich geeignet sind.

Journalist: In Bezug auf die Energiedichte können Lithium-Metall-Batterien als Element im Periodensystem an dritter Stelle theoretisch 700 Watt / kg erreichen. Ist dies die Grenze der Batteriespeicherung?

Nan Cewen: Dies ist sicherlich nicht die Grenze. Die Energiedichte der Batterie muss sowohl positive als auch negative Materialien berücksichtigen. Wenn neues positives Material gefunden wird, erhöht sich die Energiedichte der Batterie, wenn die Kapazität und Spannung viel höher als drei Yuan oder das vorhandene Material sind. Die Grenzen von Lithiumbatterien oder Decken sind zumindest vorerst technisch nicht sichtbar. Wenn Sie die relative Grenze bestimmen möchten, können Sie sich als Lithium-Luft-Batterie, die mehr als eine Größenordnung höher ist als die aktuelle Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterie, diese als Grenze vorstellen (die theoretische Energiedichte beträgt etwa 3500 Watt /). kg), aber 700 Watt / kg sind nicht die Grenze.

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