Nan Cewen: Die Lithiumbatterie bietet noch viel Entwicklungsspielraum

Am 1. März 2017 haben die vier Ministerien und Kommissionen den Aktionsplan zur Förderung der Entwicklung der Autobatterieindustrie veröffentlicht, in dem klare Anforderungen an Batterieleistung, Kapazität, Sicherheit, Materialien und Ausrüstung festgelegt sind. Wie kann die Branche angesichts der Sprünge und Grenzen von 100 Milliarden Watt mit der neuen Technologie umgehen, die in einem endlosen Strom entsteht? In diesem Artikel wurde kürzlich Nan Cewen interviewt, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Dekan des Instituts für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Tsinghua-Universität. Festkörper-Lithiumbatterien werden die Sicherheit und Leistung erheblich verbessern. Vor der Industrialisierung müssen jedoch vorhandene Technologien kontinuierlich aktualisiert werden. Mit der kontinuierlichen Entdeckung neuer Materialien sind die Lithiumbatterietechnologie und der Entwicklungsraum der Industrie in Zukunft unendlich.

Der "goldene Schlüssel" zur Lösung von Sicherheitsproblemen

Energierückblick: Im Jahr 2017 haben Sicherheitsaspekte mit der raschen Ausweitung des Umfangs von Elektrofahrzeugen eine beispiellose Aufmerksamkeit erhalten. Was ist Ihrer Meinung nach der Vorteil einer Voll-Lithium-Batterie gegenüber einer herkömmlichen Lithium-Batterie?

Nan Cewen: In einfachen Worten ist die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie eine Struktur, bei der die positiven und negativen Elektroden durch eine Membran getrennt und in einen organischen Elektrolyten gegossen werden. Der Elektrolyt kann leicht austreten, insbesondere wenn er auf einen Kurzschluss oder eine Überladung positiver und negativer Elektroden stößt, wodurch die Temperatur schnell ansteigt, der Elektrolyt verdampft und sich zersetzt und eine große Menge Gas erzeugt wird Sicherheitsprobleme der Batterie verursachen und sogar dazu führen, dass die Batterie brennt und explodiert.

Die Festkörper-Lithiumbatterie verwendet den Festkörperelektrolyten, um eine Zwei-in-Eins-Funktion zu erreichen, und ersetzt die Membran und den Elektrolyten der herkömmlichen Batterie, um das Sicherheitsproblem zu lösen. Gleichzeitig kann nach Verwendung eines Festelektrolyten Metalllithium als negative Elektrode verwendet werden, um die Energiedichte zu erhöhen.

Das Sicherheitsproblem ist der Schlüssel und die Grundlage der Branchenentwicklung sowie die Grundlagen für das Überleben der Batterieindustrie. Die Energiedichte ist ein Kern der Forschung und Entwicklung der Branche und der Aussichten für die Entwicklung der Branche. Unter dem Gesichtspunkt der Lösung von Sicherheitsproblemen und der Verwendung vorhandener Materialien zur Verbesserung der Energiedichte kann erwartet werden, dass Festkörper-Lithiumbatterien die Anforderungen der industriellen Entwicklung erfüllen und eine intensive Entwicklung verdienen.

Energy Review: Können wir auf der Grundlage der vorhandenen Technologie Sicherheitsprobleme besser lösen?

Nan Cewen: Es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, z. B. Batteriemanagementsysteme (BMS). BMS ist jedoch ein Mittel zur "Behandlung der Symptome", und die "Regel der Regierungsführung" muss vom Batteriematerial selbst ausgehen. Unter diesen ist die Verwendung von Keramikmembranen eine gute Richtung, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Es ist mit einer Schicht aus nanokeramischen (Al2O3) Partikeln auf dem Substrat des Separators beschichtet, was die mechanische Festigkeit und den Wärmeschrumpf des Separators erhöht und die Möglichkeit eines direkten Kurzschlusses zwischen der positiven und der negativen Elektrode verringert Verbesserung der Sicherheit. Das Keramikmembranprodukt der neuen Generation ist eine mit Nanokeramikfasern beschichtete Membran (hergestellt von Jiangsu Qingtao Energy), die eine bessere Wärmebeständigkeit aufweist und die Sicherheit von Lithiumionenbatterien wirksamer verbessert. Die zweite Produktgeneration ist eine mit aktiven Keramikfasern beschichtete Membran. Die Verwendung von keramischen Elektrolytfasern erhöht neben der Verbesserung der Sicherheit auch die Lithiumionenleitungsrate, wodurch die Leistung der Batterierate verbessert wird. Die allgemeine Idee besteht darin, die Sicherheit bestehender Lithium-Ionen-Batterien durch Keramikmembranen zu verbessern und schrittweise zu entwickeln, um die Membran und den Elektrolyten durch Vollfestelektrolyte zu ersetzen, um das Sicherheitsproblem vollständig zu lösen.

"Energy Review": Auf diese Weise können Vollfestelektrolyte als "goldener Schlüssel" bezeichnet werden, um die Batteriesicherheit zu lösen. Welche Entwicklungsstrategie sollte die Branche Ihrer Meinung nach auf der Grundlage des aktuellen industriellen Layouts sowie der Forschung und Entwicklung wählen?

Nan Cewen: Derzeit repräsentieren Bolloré aus Frankreich, Sakti3 aus den USA und Toyota aus Japan die typische Forschungs- und Entwicklungsrichtung von drei Festelektrolyten aus Polymeren, Oxiden und Sulfiden. Tatsächlich ist die Kombination mehrerer Methoden auch eine Idee. Wenn beispielsweise anorganische Materialien mit organischen Materialien kombiniert werden, besteht das allgemeine Prinzip darin, es in der Mitte mehrerer Schemata zu versuchen. Die wahrscheinlichere Entwicklungsstrategie für die Zukunft besteht darin, die Elektrolytmenge langsam umzustellen und schrittweise zu reduzieren, beispielsweise von 20% auf 30% auf 5% auf 10% oder sogar 0 von halbfest auf vollständig fest.

Obwohl der derzeitige Festkörperbatterietyp „nicht weit vom Durst entfernt“ ist, ist er immer noch nicht industrialisiert. Zuvor hat die Industrie jedoch die vorhandene Technologie kontinuierlich verbessert, um die Sicherheit und Energiedichte vorhandener Batterien schrittweise zu verbessern, beispielsweise durch Verbesserungen. Bestehende Materialverhältnisse, verbesserte Elektrolytleistung, Batteriemanagementsysteme (BMS) und mehr.

Wissenschaftliche Forschung und Industrialisierung: von 1% bis 100%

Energy Review: Was erwarten Sie von der Industrialisierungsagenda für Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien?

Nan Cewen: Für die Industrialisierung wird die heimische Formulierung im Allgemeinen bis 2020–2025 erreicht, und einige Experten haben vorgeschlagen, innerhalb von fünf Jahren eine Industrialisierung anzustreben. Dieses Ziel erfordert, dass alle zusammenarbeiten, um dies zu ermöglichen. Natürlich hängt es auch von den Industrialisierungsstandards ab, in welchem Umfang und in großem Umfang. So wird berichtet, dass das Ziel des deutschen BMW-Unternehmens darin besteht, dass Toyota aus Japan bis 2028 keinen Vermarktungsplan angekündigt hat, aber früher stark in den Bereich der Festkörperbatterien investiert hat und dies energisch getan hat Hart Arbeiten.

Energy Review: In welchen Bereichen werden künftig All-Solid-State-Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt?

Nan Cewen: Alle Festkörperbatterien werden derzeit in einigen speziellen Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Medizin eingesetzt, die absolute Sicherheitsanforderungen stellen. Die Zukunft hat gute Perspektiven in den Bereichen Strom- und energiespeicherung.

"Energy Review": Als neue Technologie werden Festkörper-Lithiumbatterien unweigerlich Probleme wie unzureichende Technologie und hohe Kosten haben. Wie beurteilen Sie die Ansicht, dass die hohen Kosten der größte Engpass bei der Industrialisierung sind?

Nan Cewen: Die Gesamtleistung von Festkörper-Lithiumbatterien mit niedriger Rate ist ein wissenschaftliches und technisches Problem, das langsam gelöst werden muss. Das Kostenproblem ist nicht der größte Engpass. Tatsächlich sind neue Technologien und neue Produkte am Anfang teuer. Sobald die Produktionstechnologie ausgereift ist und die Produktion steigt, können die Kosten natürlich sinken. Daher werden die Kosten von der Industrie gelöst, nicht das Problem, das die akademische Welt lösen kann. .

Gleichzeitig sind die Ziele der Laborforschung und der Industrialisierung unterschiedlich. 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. Sexualität, die überhaupt nicht schlecht ist, und alle Aspekte müssen sorgfältig geprüft werden. Um 1% in 99% oder sogar 100% umzuwandeln, besteht immer noch Bedarf an einer Brücke und einem Transformationsprozess, die vom Labor aus schrittweise verbessert werden müssen und der Pilot. Zoomen Sie dann hinein und reifen Sie, um die volle Steuerbarkeit zu erreichen.

Entwicklung ohne "Decke"

Energy Review: Ein Durchbruch bei chemischen Batterien, der auf Innovationen in der Materialtechnologie beruht. Wie beurteilen Sie aus dieser Perspektive die Richtung von Forschung und Entwicklung in Festkörper-Lithiumbatterien?

Nan Cewen: Im Gegensatz zu normalen Menschen sind Lithium-Ionen-Batterien nicht mit normalen elektronischen Bauteilen identisch. Sie sind eigentlich ein sehr kompliziertes System. Beispielsweise sind die positive Elektrode und die negative Elektrode Verbundmaterialien aus verschiedenen Materialien, und der Elektrolyt und der Separator können auch eine Mischung verschiedener Arten sein.

Festkörperbatterien scheinen einfach, aber auch sehr kompliziert zu sein. Beispielsweise enthält die positive Elektrodenschicht einer Flüssiglithiumionenbatterie eine Vielzahl von Komponenten, wie beispielsweise ein aktives Material mit positiver Elektrode, ein leitfähiges Mittel, eine Elektrolytlösung, ein Bindemittel und dergleichen, und wenn es durch ein All-Elektroden ersetzt wird. Festelektrolyt, da es kein Eindringen von Elektrolyt in die positive Elektrodenschicht gibt, verschiedene Komponenten Das Problem der Anpassung von Kombinationen kann kompliziert sein. Mit flüssigen Lithium-Ionen-Batterien mischen wir den Sand mit Zement. Das Hinzufügen von Wasser kann Steine, Sand und Zement in Einklang bringen, aber es ist keine flüssige Substanz in der Vollfestbatterie enthalten. Wie kann das Grenzflächenproblem zwischen festen und festen Materialien gelöst und wirksame Substanzen sichergestellt werden? Aktivität, die Herausforderung ist groß.

"Energy Review": Welche Art von Evolutionsmuster wird Ihrer Meinung nach der technische Weg von lithiumeisenphosphat-, ternären, Nickel- und Festkörperbatterien sein?

Nan Cewen: Die Energiedichte einer einzelnen Batterie sollte 300 Wattstunden / kg erreichen, und es ist nicht schwierig, neue Produkte auf dem vorhandenen Technologiesystem zu entwickeln, sobald sie 400-500 Wattstunden / kg überschreitet. Technisch sind neue Durchbrüche erforderlich Der Evolutionsweg wird nach der Zeit durchgeführt, aber Batterien mit unterschiedlichen Fähigkeiten sind keine Beziehung zwischen Ihnen und den Lebenden und können ein Muster der Koexistenz und Symbiose sein. Dies bedeutet, dass nach einer neuen Generation von Batterien andere Batterien vollständig eliminiert werden, was ein schrittweiser Prozess sein kann und auch für eine lange Zeit koexistieren kann. Am Beispiel von Blei-Säure-Batterien: Obwohl die Energiedichte gering und die Umweltverschmutzung groß ist, wurden Blei-Säure-Batterien bisher nicht vollständig durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt und haben sich sehr gut entwickelt. Der Grund ist, dass die Kosten niedrig sind, die Sicherheit in Ordnung ist und die Probleme des Recyclings und Recyclings besser gelöst werden, so dass es mit Lithium-Ionen-Batterien koexistiert. Unterschiedliche Batterien haben unterschiedliche Eigenschaften und existieren in unterschiedlichen Anwendungsbereichen, die für sie geeignet sind. Energierückblick: Was die Energiedichte betrifft, können Lithiummetallbatterien, die im Periodensystem an dritter Stelle stehen, theoretisch 700 Wattstunden / kg erreichen?

Nan Cewen: Dies ist sicherlich nicht die Grenze. Die Energiedichte der Batterie erfordert eine umfassende Berücksichtigung der positiven und negativen Materialien. Wenn ein neues positives Elektrodenmaterial gefunden wird, sind die spezifische Kapazität und Spannung viel höher als die ternären oder vorhandenen Materialien, und die Energiedichte der Batterie wird ebenfalls erhöht. Die Grenzen von Lithiumbatterien oder Decken sind derzeit zumindest technisch nicht sichtbar. Wenn Sie die relativen Grenzwerte als Lithium-Ionen-Batterie bestimmen müssen, die mehr als eine Größenordnung höher ist als die aktuelle Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterie, kann dies als Grenze vorstellbar sein (die theoretische Energiedichte beträgt etwa 3500 Watt). Stunden / kg), aber 700 Wattstunden / kg sind nicht begrenzt.

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