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我国第一块锂离子电池怎么诞生的 燃料动力电池

2020-03-23 14:41汽车资讯 人已围观

简介 我国工程院院士陈立泉在《我国经济大讲堂》演讲时指出,我国研究并不晚,几乎和世界同步。1995年,第一块锂离子...

我国工程院院士陈立泉在《我国经济大讲堂》演讲时指出,我国研究并不晚,几乎和世界同步。1995年,第一块锂离子电池在中科院物理所诞生了,已达到世界先进水平。现在,我国锂离子电池产量已稳居世界第一。


我国锂离子电池产量为何能够世界第一?这要从开始来讲起。


我国锂离子电池研究并不晚,几乎和世界同步。1976年的圣诞节之前,科学院派遣我到西德。那个时候德国还没有统一,东德、西德是分开的。我到西德斯图加特马普固体所进修,当时我很快发现他们全所上下都在研究氮化锂晶体的性能,我感到很奇怪,为何大家对氮化锂这么感兴趣?当时才了解氮化锂是一个离子导电的材料,据说是一种叫超离子的导体,可以用来作汽车的电池。我听到这句话之后马上在脑子里想了一下,我是不是要改方向。


他们的研究所有个开门办所,有一天对社会开放,他们就把这个氮化锂,这一个类似于扣子似的小电池摆在桌子上,旁边放了一个铅酸电池。我一看,一个铅酸电池很沉,一个扣式电池很轻。我就想这个东西的确是很有用的,所以我马上就给国内所里打报告,我说我要改行,从晶体生长改到新的学科,叫固体离子学。大概一个月以后,所里给我回信,允许我改行。回国以后,科学院非常支持把这个项目给物理所,说应该给这个年轻人建个研究室,所以很快就成立了一个固体离子学实验室。这是当时国内第一个固体离子学实验室,也是物理所最小的一个实验室。我从事的工作就是锂离子导体和锂离子电池研究。


1991年索尼公司宣布产业化以后,物理所迅速跟进了。当时我们就在思考怎么样能够迈出产业化的第一步。我们做研究的单位是把钱变成知识,假如投资的单位是把技术变成钱。怎么想办法能把知识变成技术,就是怎么能够衔接上,我们提出了一个思路,就说能不能想办法让研究单位往前走几步,让投资单位往前走几步,我们在“桥”中间会合。所以就找了一个投资方,1993年签订了一个A型锂离子电池的研究开发协议,投资方给的经费是10万元钱,同时更重要的是派了三个人来。这三个人当时对我们有很大支持,因为当时实验室我就一个硕士生,人手很缺乏。


很快1995年第1块锂离子电池就从中科院物理所诞生了。当时的这个手机叫“大哥大”,可能年纪稍稍大一点了解,“大哥大”就是像一个砖头相同的一个手机,当时拿个“大哥大”是一种身份的象征。A型锂离子电池就是“大哥大”的电池。中科院鉴定以后认为,当时这个水平达到世界先进水平,可以再进一步往下走,这就是当时我们在实验室怎么样从知识变成了技术,走出了这一步。


陈立泉院士指出,目前我国锂离子电池技术发展不错,这是学术界、工程界和产业界的合作,是研究院所和大学的通力合作,是高度的重视原始创新、基础研究和应用研究紧密结合,加快研究成果产业化进程的结果。


锂离子电池的发明肯定不是日本人,要不诺贝尔奖怎么是给两个美国人和一个日本人。所以说锂离子电池是日本人发明的这个话不完全对,可以说锂离子电池是日本人先产业化的,这句话是对的。


我们可以从这张图看得出来,日本人最早1991年宣布产业化,市场占有率是100%,然后一直往下掉,现在还在往下掉。连索尼公司都不做锂离子电池了,它的锂离子电池卖给了另外一个公司。韩国人跟我国人是往上走的,到2014年我们我国的动力、锂电市场份额已经超过了日本跟韩国,处于世界的第一位,现在还在往上升。


我们锂离子电池技术从目前发展的情况来看是不错的。实际上是学术界、工程界和产业界的一个合作,是研究院所和大学的通力合作,高度重视原始创新、基础研究和应用研究紧密结合,加快研究成果的产业化进程。


Goodenough(约翰·古迪纳夫)发现了普遍使用的正极材料钴酸锂还有磷酸铁锂,但这两种材料都有缺点。钴酸锂实际上只能取出0.5摩尔的锂,而磷酸铁锂实际上是个绝缘体,都有缺点。我们想办法找出它的缺点,然后通过理论计算和试验相结合进行了改性并且取得了专利权,这个专利权关于我们锂离子电池的发展起了非常重要的用途。


前几年比利时的五矿公司要到我国来收锂离子正极材料知识产权费,据说是一吨要收5万。做钴酸锂三元材料大概一吨的利润可能也不到5万,他们就到海淀知识法庭把我们告了,后来我国的做正极材料的公司联合物理所和他们庭外和解,因为我们有这个专利,所以他们再也没有提要收专利费的问题。看得出来,不是我们的原创材料,但是我们做了工作,我们也申请了我们的专利,关于保护我们自己的公司是很有好处的。


第二个例子就是磷酸铁锂。它是个绝缘体,我们通过理论计算,它是个一维的离子导体,假如说你在锂位掺上铬这种大的离子的话,就把这个锂的通道堵塞了,这样是不行的,没法用。后来就有人又提出来一个在铁位掺钠。铁位掺钠的时候,颜色变黑了,电导率也提高了几个数量级,它的离子电导率和电子电导率都挺好。所以法国和德国科学家认可这个工作,这是唯一的一条可行的路,打破了国外的原始专利对磷酸铁锂材料的垄断。这样才有我们现在各锂离子电池公司在相当大量地使用磷酸铁锂材料,不受国外知识产权的影响。


从这两个例子可以看得出来,虽然我们没有做原始创新,是我们给它改性、再创新了,也是非常重要的。


刚才讲的是两个正极材料,那么现在我讲负极材料,这是我们的原始创新了。清华大学很早就申请了天然石墨做锂离子电池负极的专利。两年前,它申请了国家的发明奖,这个发明奖就等于是承认了我们用天然石墨做锂离子电池的负极是我们的知识产权。光有石墨还不行,石墨的容量是比较低的,372毫安时每克。硅的容量实际上是相当高的,那么硅能不能够作为锂离子电池的负极呢?1999年我就做了这个工作,申请了第一个专利。所以国际上第一个硅作负极的专利是我们申请的,这个是美国人也承认的。但是你要把它用上,还是相当困难的。从几百毫克到几百公斤,用了17年的时间,这17年我们走的路从文章变成技术,然后变成产品,变成市场。


我们现在的原材料基本上是已经国产化,进口的量已经相当少,同时我们的设备绝大部分也都是国产化的设备,更不用说员工的技术,现在基本上都是我们自己培养的技术。


自从发现了电以后,人类就一直在想方设法把电储存起来,于是有了电池,而科技的进步,让电池的蓄电能力越来越强。随着锂离子电池、太阳能电池等新型的问世,电池技术已今非昔比。尽管现在锂离子电池的应用占据着绝对优势,但是有不少公司和研究机构已经在探索电池产品新的未来,钠离子电池、氢氧燃料、固态电池等等新概念电池纷纷进入大众视野,那么,谁才是未来的终极电池?


我国工程院院士陈立泉指出,发展固态电池,一定要有属于我国自己的创新,这样才能为实现电动我国的梦想奠定基础。像钠离子电池、铝离子电池、镁离子电池、锌离子电池的研究现在都应该做,只要我们能够抓住时机不放弃,是有机会走到世界前头的。


现在的锂离子电池是液体电解质,那么能量密度已经基本上到了极限,大概300瓦时每公斤或者350瓦时每公斤,已经到了极限。那么安全性问题时有发生,由于它一个能量密度有限,一个安全事故会发生,所以这样我们要考虑固态电池。


固态电池它是什么呢?现在我们用的是锂离子电池,更全面一点包括像镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池这些都是液态电解质的电池。固态电池可以做得跟锂离子电池相同,只不过把电解液换成是固态。它是固态,就是里头不含液态或者液态含的很少。固态电池实际上不是一个新的东西,“六五”计划、“七五”计划我们就将固态电池列入重点课题,那么科技部也是第一个把固态电池这个课题列为重大项目。固态电池的关键就是要研究固体电解质材料,固态电池它的负极是用金属锂。中间这个电解质是固体,固体电解质不是液体,那么正极可以用不含锂的正极材料,也可以用现有的这种正极材料。假如说能够找出来不含锂的正极材料,或者说容量更高的,我们就可以做出能量密度更高的固态电池,那么它的能量密度就可以大于每公斤500瓦时,那么它安全事故可以大大减小。


实际上固态电池不是说没有短路的那一天,假如固态电池有短路那一天它会不会燃烧?金属锂在空气里头可能起某种反应,但是它的量比较小,它不会爆炸,所以安全性应该说是比现在的锂离子电池应该要安全。


固态电解质基本上我们我国人没有原始创新,比较少。既然要发展固态电池,一定要有我们的创新。常见的聚合物的材料就这么几种,PEO (聚环氧乙烷)、PP0(聚环氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈),它们的室温离子电导率都比较低。最近青岛能源所崔光磊做了一些新的工作,他可以室温下做到10的负4次方西门子每厘米,他的电池也用上了,所以应该说有新的进展。米歇尔·阿芒德听到崔光磊的报告以后,第二天就给我发个E—MAIL,说看来我国人再一次走到了世界的前列。最近新引进的一位王雪峰博士,物理所把他引回来了,他把锂离子电池和锂氧电池混起来,他是用什么?用硫化钼作正极,二硫化钼它可以插锂进去,也可以插氧进去,形成一个新的化合物。混起来以后,它容量是相当高的。这个工作我们在物理所也申请了专利,所以这是新的一些思路,将来会对固态电池起用途。


所以我希望通过固态电池的发展来使我们国家能从跟跑、并跑一直到领跑。能够使世界市场占有率第一位的位置我们能够保持。要保持这个第一位地位的位置,我想对目前的锂离子电池的工作我们不能放松,就是有很多创新的工作、创新的成果我们要往产业化走。


日本人Kanno(菅野)我很佩服他,他一直坚持固体电解质一直没放,我觉得日本的这一点我们是值得学习的。我们的固态电池研究工作从锂离子电池开始就基本上都放掉了、停掉了,但是现在,只是现在我们又回过头来重新去做。我觉得重新去做也不晚,我们还可以,实际上还可以赶得上,从目前的趋势来看我们还是有优势。所以锂离子电池的工作,无论是锂离子电池也好、固态电池也好、还是液体电解质电池都是应该是有很多工作要鼓励创新的。除了这个以外,其他电池一定要做,比方说钠离子电池,你别看现在大家做锂离子电池都是信心满满,但是全世界开的车都用锂离子电池的话,实际上锂是不够的。昨天米歇尔·阿芒德也给了一个数据,就是说全世界10%的电动汽车都用电池来开的话,它大概要多少电池 ?60多亿吨还是多少,量是相当大的。这样的情况下,一定要发展像钠离子电池这一类资源比较丰富的电池。另外铝离子电池、镁离子电池或者是锌离子电池这些实际上也应该做的,特别是有些工作是我们有优势,是我们在先的。


钠离子电池是我们有优势,第一辆低速电动汽车是我们演示的,第一个100千瓦的电站是我们演示的,然后就像锌离子电池的专利,人家也承认是我国的首先的专利。现在我们正在做锂的或者镁的固态电池,我觉得这些东西的话大家都是从头做起,我觉得是我们只要抓住时机能够不放弃,应该说是有机会走到世界前头的。


氢氧燃料动力电池不是电池,它实际上是个发电装置。就是说你有了氢了,我通过它加上氧我可以发电、出现电,它是个发电装置,不是电池。但是氢氧燃料动力电池我们一定要研究。氢它没有矿,它不像锂,锂有锂矿。我国的这个锂的资源虽然是没有南美洲那么多,但是我们还算是锂资源比较丰富的国家,但是氢你没有。你将来氢从哪儿来?有人说你电解水制氢呢?那当然是可以电解水制氢,大家都可以电解水制氢,但是电解水制氢要什么?要电。你有了电,以电解水制氢,然后氢你再把它装瓶也好,把它液化,最后你再把氢又用氢氧燃料动力电池去发电。就是说开始是电,最后还是电,你都是用这电去开车。


假如说能够解决太阳能光解水制氢这个问题,那么将来我们氢氧燃料动力电池的确是大有希望。氢氧燃料动力电池我们要研究,但是要大发展,就是说它要去取代锂离子电池的这个地位,不是近期的事情。

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